可重复使用的水凝胶电子纹身传感器，可用于ECG和EMG等电生理指标测量
2024-08-10 11:17:48 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种超薄、独立式水凝胶电子纹身（HET）传感器，这种传感器具有高性能、高可靠性、高保真度，可以实现在6个月超长时间内的重复使用，并对运动具有超低敏感性。
在过去的几十年中，人们一直在努力开发可靠、高性能的可穿戴电子设备，以实现在医疗诊断、个人医疗保健、人机界面（HMI）和物联网（IoT）等领域的应用。这些可穿戴传感器可以提供有关电生理信号和生命体征（如皮肤温度和心率）的综合性信息，具有极高的实用价值。在各种可穿戴设备中，电子纹身传感器具有良好的发展潜力，因此引起了广泛的关注。
近期，相关研究人员正在尝试对这些电子纹身传感器进行改进，使其具有超薄和超柔软的特性，以确保它们与人体皮肤的机械适配性，使其能够与皮肤组织形成良好的界面。目前已经开发的电子纹身传感器主要是由金、石墨烯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐和过渡金属化合物等导电膜制成的干式传感器。然而，这种干式传感器与皮肤的干燥界面限制了它们的完全贴合性，因此干式传感器与皮肤界面的阻抗和对运动的敏感性一般要高于湿式传感器。
水凝胶是一类具有出色的柔软度、湿润性、拉伸性和生物相容性的材料，在生物电子传感器的开发中具有良好的应用潜力。将软水凝胶用作生物电极或中间层可以有效减少传感器和生物组织之间的机械错配。然而，尽管相关研究已经在合成具有可调机械和电学性能的水凝胶方面取得了一定的进展，但基于水凝胶的可穿戴电子传感器的应用，特别是作为电子纹身的应用，由于存在以下几方面的挑战而受到限制：（1）随着时间的推移，水份的流失会导致水凝胶导电性和机械柔软度的下降；（2）制备的水凝胶通常会存在对皮肤的粘附力非常高或非常低的情况，从而分别导致对皮肤产生刺激或使水凝胶分层/与皮肤的界面不稳定；（3）制备的水凝胶的厚度通常较高，从而对处于物理运动过程中的机体的皮肤组织的贴合性、传感器-皮肤界面阻抗、信噪比（SNR）和界面稳定性产生不利影响。
据麦姆斯咨询报道，为应对上述挑战，近期，来自加拿大女王大学（Queen’s University）的研究人员提出了一种超薄、独立式水凝胶电子纹身（HET）传感器，这种传感器具有高性能、高可靠性、高保真度，可以实现在6个月超长时间内的重复使用，并对运动具有超低敏感性。相关研究成果以“Reusable free-standing hydrogel electronic tattoo sensors with superior performance”为题发表在npj flexible electronics期刊上。
与“金标准”医疗级电极相比，HET传感器在性能上具有显著的提高。这种HET传感器可以在普通纹身纸上通过一种经济、可扩展性的方法制备而成，且能够像一次性纹身一样层压在皮肤上。高性能HET传感器的厚度在10 μm~20 μm范围内，并且当厚度为20 μm时，其性能可以达到最佳。此外，虽然HET具有超低的厚度，但它的含水量仍能保持长达25小时。这种基于超薄水凝胶的传感器的保水能力主要归因于使用了聚对二甲苯-水凝胶双层体系。用于制造传感器的聚对二甲苯C（200 nm）薄层可以很好地防止水凝胶中水份的蒸发。此外，研究人员还采用了甘油和盐等保水剂，使其与聚对二甲苯-水凝胶双层结构发挥协同作用。此外，HET传感器可以实现在皮肤上的多次贴附与移除，这使其成为第一个可以重复使用的超薄独立式纹身传感器。
图1 水凝胶电子纹身（HET）传感器
该研究开发的HET传感器可以实现在多种场景中的应用。例如，可以用作基于水凝胶的电生理传感器（HEPS），以用于心电图（ECG）和肌电图（EMG）的记录；还可以用于电阻温度检测器（HRTD）和皮肤水合作用传感器（HSHS）。与金标准医用级银/氯化银（Ag/AgCl）湿电极相比，HET传感器的传感器-皮肤界面阻抗低234%，并且信号幅值更大，信噪比最高可达19 dB，同时可以提供卓越的舒适性、零触感和可靠性。
图2 HET传感器-皮肤界面阻抗
图3 HET传感器的拉伸性以及皮肤温度和水合作用传感能力
图4 HET传感器的可重复使用和长期电生理参数测量性能
综上所述，该研究制造了一种可重复使用的独立式水凝胶电子纹身（HET）传感器，其具有可调的粘附力，适用于可穿戴电子设备。这种超薄的自粘附水凝胶显示出非常低的传感器-皮肤界面阻抗和高质量的电生理传感性能，与“金标准”医用级湿凝胶电极相比，其信号幅值和信噪比有明显的提升。此外，即使在跑步和出汗期间，HET传感器也能在皮肤上严密贴合，并形成稳定的界面，从而最大限度地减少运动伪影，使其具有在日常活动中长期佩戴的应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-024-00335-x
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