西(xi)安交(jiao)通(tong)大(da)學：高滲透性(xing)、黏附和(he)長(chang)時間(jian)耐(nai)用(yong)性(xing)的仿樹(shu)蛙腳(jiao)蹼的可穿戴柔性電極

近(jin)年(nian)來(lai)，隨(sui)著生(sheng)理電信(xin)號在輔(fu)助醫療(liao)、科(ke)學(xue)訓練及神經科(ke)學(xue)研究(jiu)等的領(ling)域的不(bu)斷(duan)深入(ru)和(he)廣(guang)泛應(ying)用(yong)，可穿戴柔性電極成為了眾多(duo)學(xue)者的(de)研究(jiu)焦點。非(fei)侵(qin)入(ru)式(shi)柔性電極能(neng)夠(gou)將人體內部的(de)離(li)子電信(xin)號轉換(huan)為(wei)電子元器(qi)件(jian)可讀(du)取的(de)電子信(xin)號，成為了連(lian)接(jie)這兩者的(de)橋(qiao)梁。然(ran)而(er)如何實(shi)現(xian)高質量(liang)信(xin)號的采集、實(shi)現(xian)不(bu)同皮膚狀態(tai)下的(de)長(chang)時間(jian)穩(wen)定(ding)粘附及(ji)提高長(chang)時間(jian)穿戴舒(shu)適性(xing)，是(shi)阻礙(ai)柔性電極應(ying)用(yong)的(de)研究(jiu)難點。盡(jin)管已(yi)有(you)研究(jiu)團隊(dui)提出了許多(duo)能(neng)提高粘附力(li)與增加透氣(qi)性(xing)的(de)結(jie)構，但(dan)仍(reng)舊難(nan)以實(shi)現(xian)穩(wen)定(ding)粘附性(xing)、低界面阻抗和高透氣(qi)性(xing)的(de)有(you)機(ji)統(tong)壹(yi)。因此，開(kai)發壹(yi)款兼(jian)具(ju)高透水(shui)透氣(qi)性(xing)和(he)粘(zhan)附穩(wen)定(ding)性的(de)柔性電極十分必(bi)要。

近(jin)期(qi)，西(xi)安交(jiao)通(tong)大(da)學邵(shao)金(jin)友(you)、田(tian)洪渺(miao)團隊(dui)提出了壹(yi)種仿(fang)樹(shu)蛙腳(jiao)蹼的非(fei)侵(qin)入(ru)式(shi)柔性可穿戴電極，用(yong)於生(sheng)理電信(xin)號的長(chang)時間(jian)連(lian)續監測(ce)。該(gai)柔性電極是使用(yong)摩方(fang)精(jing)密(mi)nanoArch® S130(精(jing)度(du)：2μm)高精(jing)度(du)3D打印(yin)設(she)備加工(gong)模具後使(shi)用(yong)導(dao)電復(fu)合材料(liao)翻(fan)模制備而成。相(xiang)關研究(jiu)成果(guo)以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability"發表(biao)在《Advanced Materials》上(shang)，西(xi)安交(jiao)通(tong)大(da)學蘭(lan)天翔(xiang)博(bo)士(shi)為(wei)論(lun)文的第壹(yi)作者，西(xi)安交(jiao)通(tong)大(da)學邵(shao)金(jin)友(you)教授和田洪渺(miao)教授為共(gong)同通(tong)訊(xun)作(zuo)者。

該(gai)柔性電極的設計靈(ling)感(gan)來(lai)源(yuan)於紅(hong)蹼樹(shu)蛙腳(jiao)蹼表(biao)面的分(fen)散六(liu)邊(bian)形柱狀結(jie)構及(ji)深(shen)層的(de)粘(zhan)液腺(xian)。六(liu)邊(bian)形分散柱狀結(jie)構可以(yi)將大(da)液橋(qiao)分散為多個小液橋(qiao)，從而大(da)幅提高樹(shu)蛙腳(jiao)蹼與各種表(biao)面之間(jian)的粘(zhan)附力(li)；分布(bu)於六(liu)邊(bian)形柱狀結(jie)構間(jian)隙(xi)的粘(zhan)液腺(xian)，則(ze)可使(shi)得粘(zhan)液在樹(shu)蛙腳(jiao)蹼間均勻分(fen)散，這兩種結(jie)構共(gong)同實(shi)現(xian)了樹(shu)蛙在多(duo)種表(biao)面的穩(wen)定(ding)黏附。

結(jie)合(he)此兩(liang)種結(jie)構，本(ben)文設計(ji)了壹(yi)種兼(jian)具(ju)高透水(shui)透氣(qi)性(xing)、穩(wen)定(ding)粘附性(xing)及長(chang)時間(jian)耐(nai)用(yong)性(xing)的柔性可穿戴電極。該(gai)電極可分(fen)為上(shang)下兩(liang)層：下(xia)層為(wei)分(fen)散柱狀結(jie)構，有(you)利(li)於實(shi)現(xian)高效而(er)穩(wen)定(ding)的電極-皮膚界面接(jie)觸(chu)（接(jie)觸(chu)面積/總(zong)面積相(xiang)較於平膜(mo)提升了近壹(yi)倍）、低界面阻抗（面積標(biao)準(zhun)化阻(zu)抗與商用(yong)Ag/AgCl凝膠電極相(xiang)近）及(ji)穩(wen)定(ding)附著（在幹(gan)/濕(shi)條件(jian)下的(de)粘(zhan)附力(li)相(xiang)較於無結(jie)構電極提升了2.79/13.16倍）；上層為(wei)參(can)照(zhao)鳥喙(hui)和(he)粘(zhan)液腺(xian)設(she)計(ji)的(de)改進錐(zhui)孔(kong)結(jie)構，有(you)利(li)於實(shi)現(xian)人體皮膚表(biao)面排(pai)泄(xie)物(wu)定(ding)向搬(ban)運，從而提高了該(gai)電極的透水(shui)透氣(qi)性(xing)（正向(xiang)透氣(qi)性(xing)相(xiang)較於棉紡織(zhi)物(wu)提升近(jin)12倍，透水(shui)性相(xiang)較於3M醫用(yong)敷料(liao)提升了40倍以上(shang)）。該(gai)仿生(sheng)電極在粘(zhan)附穩(wen)定(ding)性、透水(shui)透氣(qi)性(xing)和(he)耐(nai)用(yong)性(xing)等方面都(dou)具有(you)顯著的(de)優勢(shi)。

首(shou)先，研究(jiu)團隊(dui)通(tong)過(guo)理(li)論(lun)推導(dao)和(he)仿(fang)真(zhen)計(ji)算(suan)的(de)方式得(de)到了錐孔(kong)結(jie)構設(she)計(ji)的(de)合(he)適參(can)數區(qu)間，並將該(gai)結(jie)構的(de)設(she)計(ji)與(yu)電極底面分散柱狀結(jie)構的(de)設(she)計(ji)解(jie)耦，大(da)幅降(jiang)低了分散柱狀結(jie)構設(she)計(ji)的(de)復(fu)雜度(du)。

底面離(li)散化結(jie)構除(chu)了能(neng)實(shi)現(xian)高效而(er)穩(wen)定(ding)的界面接(jie)觸(chu)之外(wai)，還能(neng)有(you)效(xiao)降低汗腺(xian)的(de)被(bei)堵(du)塞率(lv)，從而避(bi)免(mian)排(pai)泄(xie)物(wu)的(de)局(ju)部堆(dui)積(ji)導(dao)致(zhi)的(de)粘(zhan)附效(xiao)果(guo)降低。為此，研究(jiu)團隊(dui)采用(yong)圖(tu)像(xiang)處(chu)理技術及離(li)散優化(hua)設(she)計方(fang)法，量(liang)化計(ji)算了全部三(san)種可單(dan)壹(yi)平面密(mi)鋪正多(duo)邊(bian)形柱狀結(jie)構在不(bu)同尺寸參(can)數下(xia)的(de)最大(da)汗腺(xian)堵(du)塞率(lv)（最(zui)大(da)堵(du)塞率(lv)越(yue)小代(dai)表(biao)該(gai)電極在濕(shi)潤(run)條件(jian)下的(de)粘(zhan)附越(yue)可靠）及理論(lun)有(you)效(xiao)面積（該(gai)值(zhi)會(hui)影(ying)響(xiang)接(jie)觸(chu)阻(zu)抗進而影響(xiang)采集的信(xin)號質量(liang)），並在綜(zong)合考(kao)慮這兩者之間(jian)的矛(mao)盾關(guan)系(xi)後，制造了優化(hua)設(she)計的(de)柔性可穿戴電極。

在設(she)計完(wan)成電極的微觀結(jie)構之後，研究(jiu)團隊(dui)采用(yong)摩方(fang)精(jing)密(mi)面投影(ying)微(wei)立體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）技術加工(gong)了具有(you)良(liang)好壹(yi)致性(xing)的樹(shu)脂模(mo)具，並通(tong)過(guo)模(mo)塑(su)工(gong)藝制造出了仿生(sheng)電極和只含(han)有(you)錐(zhui)孔(kong)的電極（對比(bi)組(zu)）。仿(fang)生(sheng)電極相(xiang)較於對比(bi)組(zu)的(de)幹(gan)/濕(shi)粘(zhan)附力(li)提升了2.79/13.16倍，實(shi)現(xian)了在幹(gan)/濕(shi)環(huan)境(jing)下的穩(wen)定(ding)附著。

之後，研究(jiu)團隊(dui)還(hai)測(ce)試了該(gai)仿生(sheng)電極的正向(xiang)和(he)逆向(xiang)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)透過(guo)率(lv)，該(gai)電極的正向(xiang)/逆向(xiang)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)透過(guo)率(lv)相(xiang)較於棉織(zhi)物(wu)提升了近12/6倍，實(shi)現(xian)了較好的(de)透氣(qi)性(xing)能(neng)。

最(zui)後，研究(jiu)團隊(dui)采集了多種生(sheng)理電信(xin)號，並對其進行了分析(xi)。該(gai)仿生(sheng)電極采集出的(de)生(sheng)理電信(xin)號質量(liang)可與(yu)商用(yong)Ag/AgCl凝膠電極相(xiang)媲(pi)美(mei)，並且長(chang)時間(jian)使(shi)用(yong)下(xia)安全性和(he)穩(wen)定(ding)性性(xing)均優於商用(yong)Ag/AgCl凝膠電極。相(xiang)較於已(yi)報道文獻，本(ben)文所提出的(de)仿(fang)生(sheng)電極在機(ji)械(xie)性(xing)能(neng)、電學性(xing)能(neng)及電極性能(neng)方面表(biao)現(xian)出優異的(de)均衡性能(neng)。

綜(zong)上(shang)所(suo)述，本研究(jiu)提出的(de)基(ji)於樹(shu)蛙腳(jiao)蹼的仿生(sheng)電極可以(yi)實(shi)現(xian)在幹(gan)/濕(shi)皮膚表(biao)面的穩(wen)定(ding)粘附，且(qie)兼(jian)具(ju)高透水(shui)透氣(qi)性(xing)、長(chang)時間(jian)穿戴舒(shu)適性(xing)及(ji)穩(wen)定(ding)的低接(jie)觸(chu)阻(zu)抗等優點，有(you)望(wang)促進(jin)生(sheng)理電信(xin)號長(chang)時間(jian)持(chi)續檢(jian)測(ce)的廣泛(fan)應(ying)用(yong)。