心電（ECG）、肌電（EMG）和腦電（EEG）等生物電信號是反映人體健康狀況的重要生理指標?？纱┐麟姌O是準確檢測這些生物電信號的重要設備，尤其是在日常生活中針對心臟疾病的長期或持續(xù)性監(jiān)測。目前臨床普遍使用是一次性的Ag/AgCl凝膠電極，由于溶劑揮發(fā)導致的信號衰變和電解質(zhì)刺激皮膚等問題，這類凝膠電極不適合長期穩(wěn)定檢測生物電信號。干電極是一種適于長期檢測生物電信號的穿戴式電極，但在文獻里報道的干電極與皮膚之間的貼合性較差，尤其是在身體運動和皮膚出汗等狀況下，造成明顯的信號噪音和運動偽像干擾，限制了干電極的實際性能。
針對這一問題，新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組和任洪亮教授課題組合作，在世界上首次研發(fā)了可拉伸，自粘附和高電導的導電高分子并且證明它們可用為高效的生物干電極（PWS干電極）。該材料由生物可相容的高分子和有機分子構(gòu)成，同時具有高導電性（>390?S/cm）和高拉伸性(斷裂伸長率>43%)，能夠貼敷于細微的皮膚紋路，牢固的粘附在干甚至濕皮膚表面，即使在皮膚拉伸變形、震動等狀態(tài)下，PWS干電極基本不脫落。PWS干電極還表現(xiàn)出拉伸應變不靈敏的特點（440次拉伸循環(huán)后電阻變化<?6.5%）。
圖1.?PWS干電極的制備材料(a)、制備過程及其表皮生物電信號檢測應用(b)。
圖2.?PWS的微觀結(jié)構(gòu)及其拉伸、電學性能。a, b?PWS干電極薄膜表面的原子力顯微鏡相圖；c?PWS干電極薄膜表面的原子力顯微鏡3D形貌；PWS薄膜的拉伸性能（d）和導電率（e）隨著PEDOT：PSS含量的變化；f?440次循環(huán)拉伸（30%應變）過程中PWS薄膜的電阻變化。
圖3.?PWS薄膜的粘附性能。a?承載250g重物的PWS薄膜牢固粘附在ITO玻璃，構(gòu)成穩(wěn)定的導電回路；b PWS薄膜牢固粘附在光滑、帶毛發(fā)皮膚、濕潤皮膚以及拉伸變形的皮膚表面；c?PWS薄膜緊密貼合于皮膚復制物表面的微細紋路；d?將PWS薄膜按壓貼敷于皮膚復制物表面，揭下的PWS薄膜可復制出皮膚紋路；e?PWS薄膜在皮膚或基底表面的粘附力測試；f?PWS薄膜在干、濕皮膚、玻璃及豬皮表面的粘附力。
與文獻中的干電極和商業(yè)化的凝膠電極相比，PWS干電極具有較低的皮膚接觸阻抗（82 KΩ?cm2@10?Hz）和優(yōu)異的穩(wěn)定性，在靜態(tài)、動態(tài)檢測過程中產(chǎn)生的信號噪音極低，可以實現(xiàn)在干、濕皮膚以及身體運動等復雜狀況下高分辨檢測心電、肌電以及腦電等信號。而且，可以作為新型人機界面交互式電子皮膚，利用肌電信號實時遠程控制機械手臂精確運動。
圖4. PWS干電極檢測心電信號性能。a,?b?PWS干電極檢測心電的貼敷位置；c?PWS干電極（藍色）和商業(yè)化Ag/AgCl凝膠電極（紅色）檢測的心電信號；d?PWS干電極檢測的心電脈沖圖譜（頻率0-45Hz）；e,?f粘附性PWS干電極、輕微粘附PW干電極和不粘的PEDOT薄膜電極在震動皮膚表面測試心電信號。
通過與新加坡國立醫(yī)院的Raymond Seet教授的合作，他們深入研究了PWS干電極在臨床實踐中的應用性能。針對患有心房纖維性顫動疾病的高齡病人，PWS電極可以有效檢測到病人的心律不齊及心電P波異常缺失等癥狀。另外，利用PWS干電極能夠快速準確檢測出病人肱二頭肌持續(xù)性收縮，以及肱二頭肌肌腱應激反應過程中的肌電信號，用于協(xié)助肌肉神經(jīng)康復的診斷和治療，表現(xiàn)出優(yōu)異的臨床應用性能。
圖5.?PWS干電極檢測肌電和腦電信號。a PWS干電極檢測肌電信號并利用肌電遠程控制機械手臂運動；b?PWS干電極檢測不同手指運動產(chǎn)生的肌電信號；c?三維結(jié)構(gòu)PWS干電極穿過頭發(fā)檢測后腦頭皮的腦電信號。
該成果以“Fully organic compliant dry electrodes self-adhesive to skin for long-term motion-robust?epidermal biopotential monitoring”為題發(fā)表在《NATURE COMMUNICATIONS》。通訊作者是歐陽建勇教授和任洪亮教授，第一作者是張磊博士和Kirthika?Senthil Kumar。
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