近日，國際權威期刊《Advanced Functional Materials》上刊發華中科技大學吳豪團隊在柔性電子醫工交叉領域的新成果，題為“A Nepenthes-inspired hydrogel hybrid system for sweat-wicking electrophysiological signal recording during exercises”(可定向排汗的仿生豬籠草混合電子系統用於運動電生理監測)，華中科技大學在讀博士生楊淦光為論文第一作者，碩士生蘭兆剛為共同第一作者，吳豪教授為通訊作者,謝斌博士為共同通訊作者。
實時監測運動過程中的電生理訊號（如心電圖、肌電圖）具有重要的臨床意義。例如，心電圖提供對心臟健康狀態的即時反饋，有助於發現潛在的心律失常和心臟異常；肌電圖可用於顯示肌肉活動水平和功能狀態，從而評估肌肉疲勞。全球每年有超過400萬在運動過程中發生心臟驟停和肌肉損傷的病例，並呈不斷增加的趨勢。實現心電、肌電等電生理訊號的高精度監測，對促進訓練安全、降低損傷風險至關重要。儘管已開發了用於檢測電生理訊號的商業電極/系統，但由於固有的缺陷，如拉伸性差、高模量和低粘附性，剛性器件與皮膚的模量不匹配導致無法保型貼附，穿戴不適。此外，運動過程中，皮膚介面處的汗液分泌會導致商用器件粘性顯著下降，同時長時間的汗液殘留易導致皮膚刺激，實際應用受到嚴重限制。因此，如何保證電極系統的穿著舒適性、無縫整合、減輕汗液干擾，同時實現高保真訊號採集成為運動過程中電生理監測的研究關鍵。
近日，華中科技大學吳豪團隊開發了一種可定向排汗的仿生豬籠草水凝膠混合電子系統，用於構建緊密貼附和快速定向排汗水凝膠/皮膚介面，實現運動過程中高保真度電生理訊號採集。透過對聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAAC)基雙網路水凝膠進行粘性基團修飾和調控交聯條件，水凝膠介面層黏性強度提高6倍。並採用倒模-凍融聚合工藝製備仿生豬籠草微結構，水凝膠層的液滴定向傳輸速度提高4.5倍。進一步將仿生豬籠草水凝膠組裝到金修飾的聚醯亞胺(PI)基底上以製備仿生豬籠草水凝膠(NIH)電極。由於仿生豬籠草微結構的定向汗液輸送作用，在持續人工汗液注入過程中，水凝膠電極始終與皮膚保持穩定貼附。此外，與商用電極和無水凝膠修飾電極相比，NIH電極在乾燥和出汗狀態下表現出最低的接觸阻抗。在複雜工況下(如振動和出汗)，NIH電極依然能夠採集高質量的肌電訊號，信噪比始終大於19 dB。研究人員進一步將NIH電極組裝到柔性電路中，製備無線仿生豬籠草水凝膠混合電子系統。由於矽膠軟連線和鏤空結構設計，該系統具有優異可拉伸性同時可有效避免電極介面處應力集中。在運動狀態下，該系統成功實現了高保真心電圖波形和心率的實時採集，且相對誤差小於2.6%，驗證了NIH系統在高精度電生理監測中的應用潛力。
圖1. 仿生豬籠草水凝膠混合電子系統的設計。
圖2. 水凝膠介面層的力學效能
圖3. 仿生豬籠草水凝膠的設計原理和表徵。
圖4. 仿生豬籠草水凝膠電極效能評估
圖5. 用於無線心電監測的仿生豬籠草水凝膠混合系統。
相關工作得到了國家自然科學基金專案(52350121,U2013213, 92048302, 52188102)以及華中科技大學機械科學與工程學院STAR專案的支援。
相關連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417841
來源：高分子科學前沿
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