用于高保真皮肤生物电子学的微图案化双相印刷电极

《Advanced Functional Materials》：Micropatterned Biphasic Printed Electrodes for High-Fidelity on-Skin Bioelectronics

降低皮肤接触阻抗的3D微结构二相电极在健康监测和可穿戴设备中的应用

　　本研究聚焦于开发一种创新的皮肤贴合电极技术，以解决传统电极在健康监测、康复、刺激、游戏和增强现实/虚拟现实（AR/VR）等应用中面临的信号质量、舒适性和长期稳定性问题。传统湿电极如银/银氯化物（Ag/AgCl）虽然在阻抗方面表现较好，但在长时间使用中存在不舒适、易损坏和信号衰减等问题。而干电极如碳、银或金基复合材料虽然便于使用，但其阻抗较高，难以在动态环境中提供稳定的信号。为克服这些挑战，研究团队提出了一种微打印的双相柔性电极结构，该结构通过3D微结构和嵌入液态金属液滴，实现了更真实的皮肤接触，并将接触阻抗降低了14.1倍，从66.1 kΩ降至4.7 kΩ。这一突破为高保真生物电信号采集提供了新的可能性，特别是在EEG（脑电图）、EMG（肌电图）和ECG（心电图）等应用场景中，表现出优异的信号质量和抗运动干扰能力。

该电极结构基于一种新型的导电墨水，由液态金属（如镓-铟合金）和银片组成，嵌入到热塑性聚氨酯（TPU）基质中。这种材料组合不仅具备良好的导电性，还能保持机械延展性，从而在皮肤表面形成高度贴合的结构。通过直接墨水书写（DIW）技术，电极可以在TPU薄膜上进行微打印，生成具有锥形微结构的三维网络。这种微结构设计使得电极能够适应皮肤复杂的微地形，从而提高接触面积，降低阻抗，提升信号采集的信噪比（SNR）。

研究团队还构建了一个理论模型，将填充率与有效接触面积联系起来，为电极优化提供了指导。模型显示，填充率并非越高越好，60%的填充率在实践中达到了最佳的接触效果。这是因为当填充率超过一定值时，墨水会在相邻导电线之间桥接，形成类似100%填充的连续导电层，反而可能降低信号质量。而填充率低于40%时，由于节点密度下降，接触面积减少，导致阻抗上升。因此，60%的填充率在保持良好导电性的同时，提供了最优的皮肤接触效果。

实验结果表明，60%填充率的电极在10名健康志愿者中表现优异。在100 Hz以下的频率范围内，电极的接触阻抗显著降低，从Ag/AgCl的66.1 kΩ降至4.72 kΩ，且在运动干扰测试中，其信噪比（SNR）达到14.47 dB，超过了Ag/AgCl（13.90 dB）和金杯电极（12.37 dB）。这种性能的提升归功于电极的3D微结构和优化的接触方式，使得信号采集在动态环境下更加稳定。此外，长期佩戴测试显示，电极在48小时内仍能保持低阻抗和高SNR，即使在出汗或运动状态下，也能维持良好的信号质量。例如，在热环境下，阻抗降低至3–4 kΩ，而信噪比仍保持在23–30 dB之间。这表明该电极具有良好的环境适应性和机械稳定性，为可穿戴生物电子设备提供了坚实的基础。

除了在信号采集方面表现出色，这种微打印电极还展示了其在多种生物电信号监测中的应用潜力。例如，研究团队开发了一种可穿戴的心电图（ECG）贴片，可以贴合在胸部，用于静态和动态条件下的心率监测。此外，该电极还被应用于床单式系统，实现无位置依赖的心电图监测，适用于卧床患者。在脑电图（EEG）方面，电极被成功应用于前额区域，用于检测 Berger 效应，即闭眼状态下出现的α波（8–13 Hz），这是传统电极难以实现的。通过微打印技术，电极能够有效捕捉到这些信号，为脑电图监测提供了新的途径。

在眼动图（EOG）方面，该电极被用于睡眠阶段的监测，通过记录眼睛的运动和眨眼信号，实现了对快速眼动（REM）睡眠的识别。这种技术能够与智能手表等设备结合，提高睡眠监测的准确性和实用性。而在肌电图（EMG）方面，电极被用于手臂区域，实现手部动作的分类和控制。通过训练支持向量机（SVM）模型，研究团队成功实现了对多个预定义动作的识别，并将其用于控制机械手，展示了其在康复和人机交互中的应用前景。

研究还通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对电极的微结构和元素分布进行了分析，验证了其良好的导电性和均匀的材料分布。同时，通过3D光学轮廓仪对电极表面的粗糙度和形态进行了测量，进一步支持了其优化设计的科学性。此外，研究团队对电极进行了长期佩戴测试，包括日常活动、热环境下的出汗测试以及睡眠期间的信号采集，结果表明该电极具有良好的舒适性和耐用性，且不会引起皮肤不适或不良反应。

这一研究为可穿戴生物电子设备的发展提供了重要的技术突破。通过结合材料创新、理论建模和实际应用验证，该电极不仅提升了信号采集的质量，还解决了传统电极在动态和长时间使用中的局限性。其3D微结构设计和液态金属的嵌入，使得电极能够实现更真实的皮肤接触，从而降低阻抗，提高信号的信噪比。这种技术具有广泛的应用前景，特别是在医疗健康、神经假肢和高级人机接口领域。

未来的研究方向包括进一步优化电极的填充率和微结构设计，探索更多微结构模式，如六边形或方形，以适应不同的应用场景。此外，研究团队还计划将传统的锂聚合物电池（LiPo）替换为柔性、可拉伸的电池，以提高电极的舒适性和可穿戴性。同时，结合有限元电场模拟和压力分布分析，进一步研究微结构对接触面积和阻抗的影响，以实现更全面的性能评估。通过这些改进，该电极有望成为下一代可穿戴生物电子设备的核心组件，为健康监测、远程医疗和人机交互技术提供强有力的支持。