可穿戴柔性电极：从制备到电生理评估

摘要

近期的两种技术——纹身和纺织品——在皮肤传感方面已展现出良好的应用前景。本文介绍了用于皮肤电生理传感的纹身电极和纺织电极的制备与评估方法。这些由导电聚合物制成的电子界面在舒适性和灵敏度方面优于现有标准。

摘要

可穿戴电子设备正在成为监测身体信号的关键工具，这些信号主要在体力活动追踪过程中发生变化。考虑到物联网时代推动的远程医疗和个性化护理日益受到关注，可穿戴传感器已将其应用领域扩展到医疗健康。为了确保采集到具有临床相关性的数据，这些设备需要与人体形成贴合的界面，以提供高质量的信号记录和长期稳定运行。为此，本文介绍了一种简便的方法，用于制备可贴合的超薄纹身式及柔性织物基传感器，并将其作为有机电子器件广泛应用于多种体表电生理信号的记录。

传感器通过一种经济高效且可扩展的工艺开发而成，该工艺采用市售的可穿戴基底，利用生物电子学中最常用的导电聚合物——聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS），实现皮肤电极的图形化制备。本文介绍了通过阻抗谱对电极进行表征的关键步骤，以研究其与皮肤耦合时在信号转导中的性能表现。为将新型传感器的性能与临床金标准进行对比，需开展比较研究。为验证所制备传感器的性能，本实验方案展示了如何在实验室环境中，通过用户友好且便携的电子装置，从不同配置中进行多种生物信号的记录。本方法学论文将推动多个实验项目的进展，促进可穿戴式人体健康监测传感器技术的现有水平提升。

引言

非侵入性生物电位记录通过与皮肤接触的电极实现，可获取大量关于人体在健身和医疗保健领域生理状态的数据¹。随着电子技术的最新进展，集成化的控制和通信组件不断微型化并达到便携尺寸，由此催生了新型可穿戴生物监测设备。智能监测设备日益普及，具备多种监测功能，其最终目标是提供足够的生理信息以支持医学诊断²。因此，开发合法的可穿戴医疗技术面临的关键挑战之一，是实现与人体之间安全、可靠且稳定的接口。近年来，纹身式电极和织物电极作为创新且舒适的可穿戴生物传感接口，因其可靠性和稳定性而受到关注^3,4,5。

纹身传感器是一种干燥且超薄的界面，由于其厚度极低（约 1 µm），无需使用粘合剂即可实现与皮肤的紧密贴合。该传感器基于市售的纹身贴纸套件，其具有多层结构，可在皮肤上释放一层超薄聚合物层⁶。这种多层结构还便于在传感器制备过程中对超薄聚合物层进行操作，并将其转移至皮肤表面。最终形成的电极可完全贴合皮肤，佩戴者几乎无法察觉。纺织传感器是通过将电活性材料功能化处理后集成到织物上而制成的电子器件⁷。它们通常被整合或直接缝合到衣物中，因其柔软性、透气性以及与服装天然的兼容性，能够确保使用者的舒适感。近十年来，纺织电极和纹身电极已被用于体表电生理信号记录^3,8,9，在可穿戴性与信号记录质量方面均表现出良好性能，并在短期和长期评估中报告了较高的信噪比（SNR）。此外，这些电极也被视为可穿戴式生化汗液分析的潜在平台^1,10。

人们对纹身、纺织品以及一般柔性薄膜技术（例如由聚对二甲苯或不同弹性体等塑料薄膜制成的技术）日益增长的兴趣，主要得益于其与低成本、可扩展制造方法的兼容性。丝网印刷、喷墨打印、直接图案化、浸涂和印章转移等技术已被成功用于制造此类电子接口¹¹。其中，喷墨打印是最先进的数字化快速原型技术，可在环境条件下以非接触、增材方式在多种基底上实现导电油墨的图案化¹²。尽管已有多种可穿戴传感器通过贵金属油墨图案化制备而成¹³，但金属薄膜较脆，在机械应力下容易开裂。不同研究团队采用了多种策略以赋予金属与皮肤相匹配的机械兼容性，这些策略包括降低薄膜厚度、采用蛇形结构设计，或使用起皱及预拉伸基底^14,15,16。柔软且本征柔性的导电材料（如导电聚合物）已在柔性生物电子器件中得到应用，其聚合物的柔韧性与电导性和离子导电性相结合。PEDOT:PSS 是生物电子学中最常用的导电聚合物，具有柔软性、生物相容性、可持续性以及良好的印刷加工性能¹⁷，使其适用于大规模生物医学器件的生产。

平面电极等设备与采集系统相连，可用于健康监测中的生物电势记录。人体生物电势是由生电细胞产生的电信号，这些信号在体内传播并到达皮肤表面。根据电极放置的位置，可以采集与大脑（EEG）、肌肉（EMG）、心脏（ECG）电活动以及皮肤导电性（如生物阻抗或皮肤电活动，EDA）相关的数据。随后通过评估数据质量，来判断电极在临床应用中的可用性。信噪比（SNR）是衡量其性能的重要指标¹⁸，通常以先进的Ag/AgCl电极记录作为比较基准。尽管Ag/AgCl电极也具有高信噪比，但其长期使用性能较差，且佩戴舒适性和贴合性不足。高质量的生物信号记录可反映特定器官功能相关的人体健康状况。因此，舒适型纹身或织物界面的这些优势表明，它们在长期应用方面具有广阔前景，有望实现真实环境下的移动健康监测，并为远程医疗的发展奠定基础¹⁹。

本文报道了如何在健康生物监测中制备和评估纹身电极与纺织电极。新型电极制备完成后，必须对其进行表征。通常采用电化学阻抗谱（EIS）来研究电极相对于特定界面（例如皮肤）的电学性能，以传递函数的形式进行分析。EIS可用于比较多种电极的阻抗特性，并在不同条件下进行测试（例如改变电极设计或研究长期响应）。本文展示了一种通过简易装置记录体表生物信号的方法，并报告了一种用户友好的技术，可用于记录多种类型的生物信号，适用于任何需要验证其皮肤生物电位记录性能的新型制备电极。

方案

注意：涉及人类受试者的实验未收集与个体健康状况相关的可识别私人信息，此处仅用于技术演示。数据来自三位不同受试者的平均结果。电生理记录数据取自先前已发表的研究^6,21。

1. 喷墨打印PEDOT:PSS电极的制备

注意：以下方案已用于在商用柔性基底——纹身纸⁶和织物²¹上制备电生理电极。相同的方法也被广泛应用于在柔性基底（如薄塑料膜²²）上制备电极。在所有情况下，均采用喷墨打印机对PEDOT:PSS进行图案化（参见材料表）。

1. 电极基底预处理
   1. 裁剪一块所需基底材料。
      1. 使用纹身基底时，打印前需用水清洗，以去除纸张最上层的水溶性层²³。
         注：纹身纸套件还附带一张胶膜，本研究中用于增强纹身附着力并作为钝化层。纹身纸具有多层结构（补充图 S1），包括支撑纸层、水溶性聚乙烯醇（PVA）层、可释放的聚氨酯薄膜以及最上层的PVA层。胶膜则由硅油纸作为支撑层、水性丙烯酸胶和顶层离型膜组成。
   2. 为制备可穿戴传感器，开始裁剪所需基底材料。将基底放置于打印机载物台上，并用胶带固定其边缘以保持平整。
2. PEDOT:PSS油墨打印
   1. 准备待打印的设计图案，例如一个直径为12 mm的圆形，在底部带有一个矩形焊盘（3 mm × 7 mm），后者用于连接外部电路。
   2. 将PEDOT:PSS商用油墨过滤后注入打印机墨盒（10 pl）。这是一种导电聚合物的水性分散液。
   3. 在基底上打印设计图案。
      1. 当使用纹身纸和织物时，由于前者具有中等到较高的表面能，而后者具有吸水性，建议采用约20 µm的液滴间距进行打印。
      2. 打印多层PEDOT:PSS，可连续打印，或在每层之间进行干燥处理（110 °C，15分钟），以形成均匀且连续的导电图案。
         注：对于织物电极尤其需要如此，因为织物的类三维结构需要更多的油墨含量，才能在织物内部形成连续的导电通路。
   4. 将电极置于烘箱中，在110 °C下干燥15分钟，以完成溶剂蒸发。
      注：通过单次打印多个器件的方式，已在织物、PET和纹身纸上制得电极（图1A-C）（图1D），这些电极可在密闭、洁净且干燥的环境中保存，待后续步骤使用。
3. 外部连接器制备
   1. 纹身电极
      1. 裁剪一块萘二甲酸聚乙烯（PEN）基底材料（8 mm × 12 mm，厚度1.3 mm）成矩形。
      2. 在该基底上打印一个矩形图案（3 mm × 12 mm），并打印三层PEDOT:PSS。
      3. 将打印后的样品放入烘箱，在110 °C下干燥15分钟。
      4. 将PEN连接片与纹身电极进行层压，使两者的PEDOT:PSS矩形部分相对贴合。
      5. 在纹身纸胶膜上打一个直径为11.3 mm的孔。将胶膜上的孔与纹身PEDOT:PSS电极的圆形传感部分对齐。在PEN连接片的自由端粘贴一段聚酰亚胺胶带（见材料表）。
   2. 织物和塑料薄膜电极
      1. 在矩形打印连接区域周围贴上一段导电胶带（例如铜胶带），以获得牢固且稳定的电连接。
      2. 将弹簧针连接器插入铜胶带，并将弹簧针连接至记录系统。
4. 纹身电极转移
   1. 移除胶膜上的离型层。将纹身电极贴附于皮肤所需位置。
   2. 润湿背面的支撑纸，同时保持纹身位置不变。待支撑纸充分浸湿后，轻轻滑动将其剥离，仅留下由可转移超薄薄膜构成的电极附着在皮肤上。
   3. 将扁平的PEN接触端插入外部采集单元。参见第1.3节。
5. 织物电极定位
   1. 将电极放置于皮肤上。借助织物运动手环或医用胶带，确保电极与皮肤保持稳定接触，以在运动过程中获得高质量的信号记录。
6. 进行所需表面电生理信号记录。记录完成后，用湿海绵擦拭即可清除纹身电极。

2. 使用电化学阻抗谱对电极进行表征

1. 在体测量
   1. 确保受试者舒适地坐着，手臂静止放置在桌面上。
      注意：无需进行皮肤清洁或擦拭。
2. 电极放置
   1. 将一个电极放置在皮肤上，并将其连接到电化学阻抗谱仪（EIS）的工作电极-传感电极（WE-S）。
   2. 在距离第一个电极3 cm处放置另一个电极，并将其连接到EIS的对电极（CE）。
   3. 将第三个电极放置在肘部，并将其连接到EIS的参比电极（RE）。电极设置如图2A所示。
      注意：连接至EIS的CE和RE的电极均可采用Ag/AgCl电极或PEDOT:PSS材料制成，后者与本研究中WE所用材料相同。
3. 启动EIS恒电位仪的记录，于对电极和工作电极之间施加电流，测量参比电极与传感电极之间的电位变化。
   ​注意：纹身电极或织物电极与信号采集系统的连接可通过夹子实现，以与恒电位仪导线形成稳定的电连接。在每个频率下测得的输出阻抗包含两个部分：皮肤阻抗和皮肤-电极接触阻抗。

3. 表面电生理记录

注意：以下部分描述了每种目标生物信号的电极放置方法。电极正确放置并牢固贴附于皮肤后，即可连接至便携式采集系统以开始记录。本文视频内容展示了使用市售的 Ag/AgCl 电极和便携式电子单元进行电生理监测的示例。

1. 进行心电图（ECG）检测时，采用可穿戴配置，使用两个或三个电极（其中一个作为接地电极）。将电极放置于身体多个区域（例如胸部、手腕、肋部），电极间最小距离应不小于6 cm，以获得可识别的信号。
   注意：经典放置位置是将两个电极分别置于左右锁骨处；此时，接地电极可置于左侧髂嵴。
2. 进行肌肉电活动记录（EMG）时，将电极沿目标肌肉走向放置（例如肱二头肌或小腿肌）。接地电极应置于相对静止的部位，如邻近的骨骼处。
3. 进行脑电活动记录（EEG）时，将电极放置于头部多个位置。
   注意：舒适且有效的放置位置包括前额及耳廓周围。通常需要一个参考电极，一般置于耳后乳突骨处。
4. 进行皮肤电活动测量（EDA）时，将两个电极置于左手掌心。可在受试者静息或进行体力活动时进行记录。
   注意：皮肤阻抗可在全身多个部位测量（例如肋部、背部、足底）；保持至少6 cm的电极间距可确保良好的监测效果。

结果

本文展示了通过喷墨打印技术制备舒适型皮肤接触电极的方法，以及对这些电极进行表征并开展电生理信号记录的方案。我们报道了直接在不同基底上喷墨打印PEDOT:PSS墨水的制备步骤，所用基底包括织物（图1A）、PEN（图1B）和纹身转印纸（图1C，D），以供参考。在方案步骤1.2.1和步骤1.3.1.5中提出的设计定义了面积为1 cm²的圆形传感区域，以便与临床上广泛使用的Ag/AgCl参比电极进行性能对比。

为表征电极的性能，通过三电极EIS装置测量了它们的阻抗（图2A，B）。该方法可用于研究在手臂上贴附电极进行体表测量时的皮肤-电极阻抗。例如，图2C中展示了纺织电极的代表性阻抗，其中阻抗模量以波特图形式...

讨论

本文介绍了一种简便且可扩展的可穿戴电极制备工艺，并展示了一种记录电生理生物信号的方法。文中采用了三种可穿戴基底的实例，分别是纹身、织物和薄膜。文章阐述了如何在这些基底上构建传感器，并在应用前对其性能进行表征。本研究所用的电极采用PEDOT:PSS（聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸)）制备，这是一种导电聚合物，相较于金属基导体，具有成本低、加工方式多样、生物相容性好、柔软以及适用于绿色工艺等优势²⁹。在商用基底上实现PEDOT:PSS图案化，采用的是喷墨打印技术，该方法可精确控制墨水沉积，并具有高度的设计自由度（图1）。

喷墨打印是一种非接触式技术，能够选择性地对柔性及非常规基底进行功能化修饰，而这些基底在化学和物理性质上与传统的光刻微加工工艺不兼容。与另一种常用于电极制备的丝网印刷技术相比，喷墨打印无需使用掩膜，因而减少了墨水浪费，并便于实现简单定制³⁰。喷墨技术通过多层沉积精确控制膜层厚度（喷墨：<1 µm...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Biosignalplux - 用于电生理记录的 Plux 无线设备	PLUX Wireless Biosignals S.A		脑电图（EEG）、心电图（ECG）、肌电图（EMG）、皮肤电活动（EDA）传感器
Covidien Kendal 一次性电极，医用级一次性电极（预凝胶，24 mm）	Covidien / Kendal（原 Tyco）ARBO 电极	H124SG	用于电生理的商用 Ag/AgCl 电极
Dimatix 喷墨打印机	Fujifilm	DMP 2800	喷墨打印机
激光切割机	Universal Laser Systems	VLS 3.50, 50 W	用于切割纹身电极制造中的胶膜
NOVA	Metrohm Autolab	NOVA 2.1	用于控制 Autolab 仪器的电化学软件
OpenSignals	2020 PLUX wireless biosignals, S.A.		用于生物信号实时可视化分析的软件套件，可直接与 PLUX 设备交互
PEDOT:PSS 喷墨可打印墨水	Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG	CLEVIOS Pjet 700
聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜	Goodfellow	厚度 1.3 μm	用于纹身电极互连结构的制备
聚酰亚胺胶带	3M	3 M 公司生产的 Kapton 胶带，厚度 50 μm	用于纹身电极互连结构的制备
恒电位仪	Metrohm Autolab	Autolab potentiostat B.V.	用于电化学阻抗谱（EIS）测量
Silhouette 临时纹身纸套件	Silhouette Americ, Inc, US		基于纹身的电极基底材料
Wowen 纺织品，100% 棉织物及市售连裤袜			基于纺织品的电极基底材料