勇于冒险甘于艰苦乐于和谐

Adventurous Arduous Amiable

我系微流控-生物材料实验室设计开发可实现肌腱定位和肌肉损伤预防的肌电电极阵列

2023-10-20

表面肌电图（sEMG）可以提供关于肌肉表现的多重信息。理想的sEMG电极应该是可拉伸的，并且能够多次重复使用，这才能为连续监测提供足够多的高质量数据。然而，这些特性的缺乏极大地限制了sEMG在医疗和日常生活中的广泛使用。为解决上述问题，近日，南方科技大学微流控-生物材料实验室和利兹大学Samit Chakrabarty教授等人通过使用单宁酸、聚乙烯醇和PEDOT:PSS设计了粘合剂干电极（TPP）。TPP电极具有优异的拉伸性（~200%）和粘附性（0.58 N/cm），可确保与皮肤的稳定长期接触以进行记录（>20 dB；>5天）。基于TPP，作者还开发了一种金属聚合物电极阵列贴片（MEAP）。MEAP表现出比商业阵列更好的顺应性，从而可在肌肉运动过程中产生更高的信噪比和更稳定的记录。MEAP采用可扩展丝网印刷制造，具有完全可拉伸的材料和阵列结构，能够实时监测肌肉应力、疲劳和肌腱位移。相关研究以“Stretchable surface electromyography electrode array patch for tendon location and muscle injury prevention”为题发表在《Nature Communications》上。

在研究团队先前的工作中，由共晶镓铟合金（EGaIn）制成的可打印金属聚合物导体（MPC）具有高度拉伸性和柔性、导电性和生物相容性，已被用作柔性电路、应变传感器和电穿孔电极。凭借这种柔性电路，作者可在弹性基板上实现用于高密度记录的全保形多通道sEMG电极。但是使用这种液态金属作为皮肤上的接触电极可能存在泄漏和磨损问题，这严重减少了设备的工作时间。相比较而言，聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为一种替代材料，由于其良好的生物相容性、高导电性和高电化学稳定性，是一种更合适的导电聚合物。然而，纯PEDOT:PSS膜只有~5%的应变，这不足以适应大多数皮肤变形。而其水溶性特性也限制了针对汗液的应用，并且其抗摩擦能力也比较差，会影响接触皮肤时的耐久性。此外，纯PEDOT:PSS膜的不粘附性也存在接触问题，可能会降低电生理信号质量。因此，如何制造保形、粘合和坚固的干电极成为一个需要解决的问题。为此，作者将单宁酸、PVA与PEDOT:PSS混合制造了粘性、可拉伸、生物相容性和无凝胶的TPP电极，并基于TPP进一步开发了贴片MEAP（图1）。

图1 MEAP

如图2所示，由于TPP的高拉伸性和粘附性，电极即使在皮肤褶皱中也能保持稳定的接触，从而提供较低的界面阻抗。作为干电极，它可以具有更长的工作时间，是Ag/AgCl电极的16倍。基于MPC电路，作者还制作了一种多通道sEMG金属聚合物电极阵列贴片，以实现高质量、高密度的sEMG信号，用于监测肌肉负荷和肌肉疲劳，其性能比商用sEMG阵列更稳定。更重要的是，MEAP可持续监测肌腱位移，将肌腱拉伸控制在安全范围内，从而降低肌肉或肌腱损伤的风险。