生物電信號是人體最基本的生理信號之一，通過對生物電信號的監測可以對多種生理疾病進行診斷和預防。隨著微電子科技的不斷發展，越來越多的醫療科技選擇使用電極貼片與診斷設備集成，以實現實時監測人體健康狀況的醫療保健系統。監測系統對于突發性強、致命性高的心腦血管疾病有著顯著的預防作用。

生物電監測電極作為系統硬件的重要組成單元，直接與人體接觸采集生物電信號，是生物電傳感系統的基礎部件。常見的是銀-氯化銀（Ag/AgCl）凝膠電極，但由于凝膠或粘合劑會對皮膚產生刺激，很難用來長期監測生物電信號。為了實現長效與皮膚接觸監測的功能，生物相容性良好的干電極技術近年來得到了一定的發展。然而，由于皮膚的彈性、粗糙質地，附加汗水，油脂、皮屑和毛發等表面特性，干電極技術在皮膚附著力、接觸阻抗、透氣性等創新優化方面仍面臨較大挑戰。

圖1 典型具有足端附著能力的生物結構與功能實現策略

由于自然環境下目標附著表面的復雜多樣性，依靠單一的黏附機制往往不足以提供生物體穩定的附著和快速的運動的能力。幾乎所有具有全空間運動能力的生物，均擁有兩種及以上的界面附著策略，且生物體型越大，越需要多種附著方式協同作用來提升界面附著力以平衡自重。生物高魯棒性的附著調控特性依賴于生物腳爪精細的跨尺度附著結構，以及附著結構所呈現的機制之間的協同作用。

圖2 兼具排汗透氣與皮膚黏附的仿生電極設計

本研究介紹了一種兼具排汗透氣性和多機制附著性能的健康監測電極貼片。貼片的排汗透氣功能采用錐形通孔與蜂窩狀微溝槽集成設計來實現，錐形通孔產生的拉普拉斯液相壓差和微溝槽的毛細力協同實現了汗液的自驅導流作用；Ag/Ni微針陣列和PDMS-t粘附材料的多機制附著一定程度上保障了電極貼片與皮膚接觸的力學穩定性，其中，Ag/Ni微針陣列通過高度控制，形成與皮膚角質層的接觸，在保障安全性的前提下，實現了生物電信號采集通道的可靠性。

圖3 仿生監測電極排汗透氣通道結構形貌及其單向自驅導效果圖

圖4 仿生電極貼片切向摩擦力和法向黏附力量化測試實驗

圖5 仿生電極貼片心電監測性能及其與皮膚接觸的生物相容性評價

仿生電極的皮膚界面阻抗測試顯示，在100Hz以下，仿生電極的接觸阻抗低于標準Ag/AgCl凝膠電極，在監測志愿者的EMG和ECG生物電信號應用中，仿生電極展示出了較好的靜態和動態采集性能。這主要歸因于微針陣列與皮膚高阻抗角質層形成機械鎖合，與通孔陣列柔性聚合物黏附接觸協同作用，增強了仿生電極與皮膚表面的附著力，減少了運動偽影。同時，仿生電極設計中汗液的自驅導流結構保障了皮膚排汗透氣的需求，具有良好的皮膚接觸生物相容性，為實現長效的健康監測提供了新思路和新途徑。

本研究工作是建立在前期微針摩擦與樹蛙濕黏附協同的仿生電極（Advanced materials interfaces, 2022, 2200532，封底論文）研究基礎之上，著重探究了仿生電極自主排汗透氣方面功能實現方法。相關研究成果以題為“Biomimetic Patch with Wicking-Breathable and Multi-mechanism Adhesion for Bioelectrical Signal Monitoring”發表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文第一作者為南京航空航天大學機電學院碩士研究生張遷，論文通訊作者為姬科舉副研究員，南京航空航天大學為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學基金、南京市醫學科技發展基金、江蘇省仿生功能材料重點實驗室基金等項目的資助。

論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c13984

審核編輯 ：李倩