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用于肌肉-血管活動(dòng)的原位雙模監(jiān)測(cè)的透明離子電子電極

MEMS ? 來源:MEMS ? 作者:MEMS ? 2023-10-08 09:08 ? 次閱讀
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背景介紹

人類活動(dòng)伴隨著電生理學(xué)(EP)和血氧代謝。EP和BO的原位雙模監(jiān)測(cè)有利于人機(jī)界面、疾病診斷和康復(fù)。BO通常通過近紅外光譜(NIRs)進(jìn)行監(jiān)測(cè),因此;原位雙模監(jiān)測(cè)需要一個(gè)多層集成傳感器:第一層是直接粘附在皮膚上的透明電極來檢測(cè)EP,第二層是近紅外光通過第一層電極來檢測(cè)BO的近紅外光譜。由于皮膚柔軟且可拉伸,透明電極也應(yīng)柔軟且可伸展,以實(shí)現(xiàn)機(jī)械匹配。此外,為了實(shí)現(xiàn)信息映射,需要多通道電極。

此前,用于EP監(jiān)測(cè)的透明和可拉伸電極是基于碳、金屬、和PEDOT開發(fā)的。這些導(dǎo)電材料具有電子導(dǎo)電性,并且通常不是本質(zhì)透明的。需要具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)一定程度的透明度和導(dǎo)電性的權(quán)衡。此外,為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的皮膚EP監(jiān)測(cè),通常需要用另一層水凝膠對(duì)這些電極的檢測(cè)墊進(jìn)行修飾,以降低界面阻抗。近年來,由無水可拉伸離子凝膠組成的離子電子學(xué)在EP監(jiān)測(cè)方面有很大的前景。離子凝膠是用離子液體溶脹的聚合物網(wǎng)絡(luò),可以顯著降低接觸阻抗并提高EP檢測(cè)的準(zhǔn)確性。重要的是,它是一種具有離子導(dǎo)電性和固有高透明度的干電極。多項(xiàng)研究采用可拉伸離子凝膠實(shí)現(xiàn)單通道EP監(jiān)測(cè)。然而,通過柔軟可拉伸的貼片對(duì)EP和BO進(jìn)行的原位雙模監(jiān)測(cè)尚未實(shí)現(xiàn),濕粘合劑和多通道離子電極的研究仍然缺乏。

本文亮點(diǎn)

1. 基于可拉伸和可打印的離子凝膠制備了16通道透明離子電子電極,表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,如高透明度、大拉伸性、濕粘附性、生物相容性、柔軟性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2. 該電極表現(xiàn)出24小時(shí)的穩(wěn)定接觸阻抗和2周的周期性EP監(jiān)測(cè)。16通道透明離子電子電極的性能優(yōu)于可拉伸金電極,因?yàn)樗峁┝朔€(wěn)定的EP監(jiān)測(cè),對(duì)血氧檢測(cè)的近紅外干擾最小。

3. 隨著時(shí)間的推移,EP強(qiáng)度和血氧水平之間存在原位負(fù)相關(guān)。

圖文解析

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圖1 用于肌肉血管活動(dòng)的原位雙模監(jiān)測(cè)的可拉伸多通道離子電子電極的示意圖。a) 透明多通道離子電子電極,用于同時(shí)監(jiān)測(cè)BO和EMG。NIR、BO和EMG分別代表近紅外光譜、血氧和肌電圖。b) 通過將離子凝膠前體刮涂到SEBS膜上并進(jìn)行UV固化,制備16通道透明離子電子電極的工藝。c) 透明16溝道電極(i和ii)和16溝道SEBS Au電極(iii)的圖像。比例尺:1厘米。d) 雷達(dá)圖像用于我們的工作與其他參考文獻(xiàn)的干電極之間的比較。

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圖2 離子凝膠的性質(zhì)。a) 不同[P14][TFSI]含量的離子凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b) 根據(jù)(a)計(jì)算的楊氏模量(平均值±SD,n=3)。c) 離子凝膠的電阻隨應(yīng)變的變化。d) 與離子凝膠共培養(yǎng)的L929細(xì)胞在72小時(shí)內(nèi)的細(xì)胞活力(平均值±SD,n=6)。e) 離子凝膠與玻璃基質(zhì)的搭接剪切粘附。f) IONOGEL-5和IONOGEL-10的電導(dǎo)率(平均值±SD,n=3)。g) 離子凝膠和Ag/AgCl水凝膠電極在100Hz下24小時(shí)的皮膚接觸阻抗(平均值±SD,n=3)。h) 剝離具有不同NHS含量的IONOGEL-10對(duì)干燥和潮濕人類皮膚的粘附性(平均值±SD,n=3,***p<0.01,***p<0.01和*p<0.05,單因素方差分析檢驗(yàn))。i) IONOGEL-10和IONOGEL-5的透射率。

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圖3 IONOGEL用于EP信號(hào)監(jiān)測(cè)。a) 用于EMG監(jiān)測(cè)的離子凝膠電極的圖像。比例尺:3厘米。b) 通過Ag/AgCl電極、IONOGEL-0、IONOGEL-5和IONOGEL-10監(jiān)測(cè)制作拳頭的過濾EMG信號(hào),并在2周開始和結(jié)束時(shí)進(jìn)行測(cè)量。c) 來自(b)的EMG信號(hào)的SNR(平均值±SD,n=10,***p<0.001,單因素方差分析測(cè)試。)。d)用于ECG監(jiān)測(cè)的離子凝膠電極的圖像。比例尺:1.5 cm。e)Ag/AgCl電極、Au/SBS電極和IONOGEL-5以不同頻率(0.2、0.5和1Hz,表示每5、2和1s重復(fù)一次擴(kuò)胸)進(jìn)行擴(kuò)胸時(shí)的ECG信號(hào)。f) 不同電極擴(kuò)胸心電圖信號(hào)的信噪比(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,n=10,***p<0.001,***p<0.01,以及單因素方差分析檢驗(yàn))。g) Ag/AgCl電極和IONOGEL-5在排汗過程中粘附在皮膚上的照片。比例尺:1.5 cm。h)睜眼和閉眼時(shí)的眼電圖(EOG)信號(hào)。i) 來自(h)的頻譜。

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圖4 BO和EMG的同步監(jiān)測(cè)。a) a-i)Ionogel/PU膜和a-ii)Au/PU膜的粘附狀態(tài)。b) 在血液閉塞期間從不同膠片獲得的BO標(biāo)測(cè)。c) 無離子凝膠膜和Au膜和有離子凝膠膜的Ch3血液閉塞后HbO2的變化(平均值±SD,n=3)。d) BO和EMG監(jiān)測(cè)的狀態(tài)和通道分布。S表示源,D表示檢測(cè)器。e) e-i)透明離子電子電極和e-ii)SEBS-Au電極的粘附狀態(tài)。f) 在放松和抓握過程中通過透明離子電子電極同步監(jiān)測(cè)HbO2和EMG。g) 同步監(jiān)測(cè)時(shí)Ch2和均方根的HbO2變化(平均值±SD,n=3)。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:用于肌肉-血管活動(dòng)的原位雙模監(jiān)測(cè)的可拉伸多通道離子超聲電極

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