皮膚集成電子因其在個(gè)性化健康管理、通訊和人機(jī)交互等多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力而受到廣泛關(guān)注。其中，“紋身電子”（表皮電子）泛指一種可直接貼在皮膚上的柔性貼片，具有臨時(shí)紋身的輕松、舒適等特點(diǎn)。紋身，將墨水或染料顏料注入皮膚真皮層，是一種已普遍存在的身體修飾技術(shù)。迄今已報(bào)道的“紋身電子”大多以皮膚表面集成的形式呈現(xiàn)，而使用真皮紋身實(shí)現(xiàn)電生理信號(hào)的精確診斷是一種尚未探索的皮膚集成電子范式。

傳統(tǒng)Ag/AgCl凝膠電極由于溶劑揮發(fā)導(dǎo)致的信號(hào)衰減、電解質(zhì)刺激皮膚和運(yùn)動(dòng)偽影干擾等問題，不適合長期使用。電極的物理特性，如電導(dǎo)率、電極/皮膚接觸阻抗、機(jī)械耐久性等均會(huì)影響無創(chuàng)電生理評(píng)估的可靠性。與皮膚高度共形貼附的超薄紋身干電極有望解決Ag/AgCl凝膠電極的現(xiàn)存問題，實(shí)現(xiàn)低電極/皮膚接觸阻抗、減輕運(yùn)動(dòng)偽影，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定監(jiān)測。從這個(gè)意義上說，穿透表皮（角質(zhì)層和活表皮）的真皮電極能夠提供更為緊密、穩(wěn)定和高度順應(yīng)的界面，消除電極/表皮接觸阻抗的影響（特別表皮角質(zhì)層），進(jìn)一步減弱運(yùn)動(dòng)偽影，實(shí)現(xiàn)高信噪比電生理信號(hào)的采集。

與依賴于電子和空穴傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)無機(jī)材料相比，聚合物鏈級(jí)離子和電子導(dǎo)電性的共存使之成為生物電子應(yīng)用中最具吸引力的候選材料。其中，聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）因其導(dǎo)電率可調(diào)、良好的機(jī)械柔性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于柔性可穿戴電子設(shè)備。然而，未經(jīng)處理的PEDOT:PSS導(dǎo)電性和可拉伸性較低，很大程度上限制了其應(yīng)用。

圖1 用于體外和體內(nèi)電生理信號(hào)監(jiān)測的超柔性紋身電極

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院徐曉敏、成會(huì)明、馬少華團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于PEDOT:PSS改性的導(dǎo)電聚合物體系，PEDOT:PSS/EG/LiTFSI（以下簡稱PPEL），制得的超柔性PPEL紋身電極兼具良好的生物相容性、高導(dǎo)電性（5165 S cm-1）和高拉伸性（斷裂伸長率>56.9%），能夠?qū)崿F(xiàn)與人體皮膚的共形貼附。該柔性紋身電極相較于商業(yè)化的Ag/AgCl凝膠電極（31.7 kΩ cm2）在100 Hz頻率下表現(xiàn)出更低的皮膚阻抗（10.6 kΩ cm2）和優(yōu)異的穩(wěn)定性，在靜、動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程中產(chǎn)生的信號(hào)噪音極低，實(shí)現(xiàn)在皮膚及身體運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜狀況下高分辨實(shí)時(shí)心電（ECG）和肌電（EMG）信號(hào)監(jiān)測。

圖2 用于ECG和EMG監(jiān)測的超柔性表皮電極

圖3 PPEL柔性紋身電極的微結(jié)構(gòu)表征

圖4 PPEL柔性自支撐電極的電學(xué)和機(jī)械屬性

此外，研究團(tuán)隊(duì)首次利用紋身技術(shù)構(gòu)筑出真皮紋身電極，實(shí)現(xiàn)了SD大鼠體內(nèi)長達(dá)兩周的EMG信號(hào)穩(wěn)定記錄。墨水注射14天后，SD大鼠皮膚的組織學(xué)橫截面表明墨水在真皮層中保持最初注入的位置，而不改變皮膚組織結(jié)構(gòu)。此外，連續(xù)記錄皮膚表面外觀表明，墨水注入兩周后，角質(zhì)層基本愈合并覆蓋了導(dǎo)電通道。注射墨水的部位能夠再生毛發(fā)，表明真皮紋身不會(huì)引起疤痕或非疤痕性脫發(fā)。在紋身注射和EMG記錄后持續(xù)觀察大鼠活動(dòng)長達(dá)三個(gè)月，發(fā)現(xiàn)其與未經(jīng)墨水注射的參考大鼠活動(dòng)并無明顯差異，進(jìn)一步表明PPEL墨水的生物安全性。該工作將紋身電極的應(yīng)用場景從表皮進(jìn)一步拓展到皮下真皮層，為深層組織水平上的電子器件和生物組織通信開辟了新途徑。

圖5 生物相容性評(píng)估

圖6 體內(nèi)EMG監(jiān)測

相關(guān)成果近日以“可用于皮膚表面和體內(nèi)電生理信號(hào)監(jiān)測的超柔性紋身電極”（Ultraflexible Tattoo Electrodes for Epidermal and In vivo Electrophysiological Recording）為題，發(fā)表在國際期刊《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）上。清華大學(xué)深圳國際研究生院徐曉敏副教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士以及清華大學(xué)深圳國際研究生院馬少華副教授為上述文章通訊作者；清華大學(xué)深圳國際研究生院博士后魏斌斌和王子天為文章的共同第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院王曉浩研究員、張旻副研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)焦學(xué)琛研究員、謝飛工程師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)紅軍教授、2020級(jí)博士周昌杰，清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級(jí)碩士郭昊天、2021級(jí)博士生程思敏和博士后樓子瑞等。該研究項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、深圳市優(yōu)秀青年基金、深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金以及清華大學(xué)深圳國際研究生院啟動(dòng)基金等項(xiàng)目和深圳蓋姆石墨烯中心的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101335

來源：清華大學(xué)深圳國際研究生院

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