可穿戴皮膚接觸設(shè)備因其能夠提供方便和安全的健康監(jiān)測(cè)而得到廣泛研究?？刂破湫阅艿囊粋€(gè)關(guān)鍵方面是設(shè)備電極的性能。優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)及其制造材料可以提高設(shè)備的功能性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國(guó)延世大學(xué)（Yonsei University）的研究人員在Communications Materials期刊上發(fā)表了題為“Material and structural considerations for high-performance electrodes for wearable skin devices”的綜述文章，討論了最佳電極性能所需的各種特性，包括機(jī)械、電氣和生物相容性因素。研究人員考量了改變電極結(jié)構(gòu)，開發(fā)柔性導(dǎo)電材料，以及創(chuàng)建混合結(jié)構(gòu)。此外，文章提出了人工智能（AI）的集成是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的一個(gè)有前途的方向。除了概述高性能可穿戴皮膚設(shè)備的基本特征外，研究人員還提供了對(duì)未來可能應(yīng)用的見解。

可穿戴皮膚設(shè)備電極材料要求

可穿戴皮膚設(shè)備中采用的電極用于與皮膚相互作用，并捕獲在此過程中產(chǎn)生的各種電信號(hào)。具體而言，皮膚具有各種特征，在設(shè)計(jì)電極時(shí)充分考慮這些特征至關(guān)重要。具有皮膚-電極界面的電極所需的特性可分為機(jī)械特性、電氣特性和生物相容性。滿足這三個(gè)方面的特性對(duì)于構(gòu)建功能齊全的皮膚設(shè)備至關(guān)重要。

可穿戴皮膚設(shè)備電極的材料要求

機(jī)械性能是皮膚設(shè)備電極的最基本特性。由于皮膚的自由柔韌性，皮膚設(shè)備電極必須與皮膚很好地貼合并牢固地附著。首先，需要考慮的最重要的方面是可拉伸性；第二個(gè)考慮因素是粘附性，這對(duì)患者的舒適體驗(yàn)和穩(wěn)定的生理監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。此外，與皮膚的適形性也很關(guān)鍵。

電極的電氣特性是有效電刺激和分析電生理信號(hào)[包括肌電圖（EMG）和腦電圖（ECG）]的重要部分。典型的電氣特性包括皮膚和電極之間相互作用的阻抗和信噪比（SNR）。

生物相容性被認(rèn)為是皮膚電子設(shè)備確保安全應(yīng)用于人體表皮的最重要標(biāo)準(zhǔn)。最近的研究趨勢(shì)集中在導(dǎo)電材料與彈性材料的結(jié)合上，以克服許多皮膚上的情況，如身體運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)拉伸。研究人員介紹了新型生物相容性復(fù)合材料，以及降低生物相容性風(fēng)險(xiǎn)的替代策略。

生物相容性和其它特性

除了這些關(guān)鍵特性之外，可穿戴皮膚設(shè)備可能還需要基于其預(yù)期用途或特定情況的額外特性。雖然不是必不可少的，但這些特性有助于滿足特定要求，如功能、外觀和尺寸。研究人員闡述了透氣性、透明度、尺寸和密度與皮膚設(shè)備的關(guān)系。

可穿戴皮膚設(shè)備材料的未來方向

可拉伸性是決定設(shè)備是否能夠適應(yīng)皮膚拉伸的關(guān)鍵因素。在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)可拉伸性有兩種主要策略：一種涉及材料創(chuàng)新，從一開始就使用柔性材料，結(jié)合可拉伸性的成本，或集成可拉伸材料；另一種涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即賦予不可拉伸材料獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)或修改材料結(jié)構(gòu)以吸收施加于設(shè)備的應(yīng)力和應(yīng)變，從而防止材料失效并提高耐久性。研究人員探討了可穿戴皮膚設(shè)備中使用的材料的未來方向，特別關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵發(fā)展：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，（2）柔性電極材料的進(jìn)步，以及（3）混合材料的合成。

可穿戴皮膚設(shè)備的結(jié)構(gòu)

用于可穿戴皮膚設(shè)備的柔性電極材料

可穿戴皮膚設(shè)備的應(yīng)用前景

可穿戴皮膚設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步不僅體現(xiàn)在制造方面，還開創(chuàng)了潛在應(yīng)用的新時(shí)代。研究人員對(duì)檢測(cè)生物信號(hào)、電刺激和藥物輸送的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了介紹。此外，文中還深入探討了這些設(shè)備在混合系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用，這些系統(tǒng)具有在單一設(shè)備內(nèi)執(zhí)行多種功能的能力。此外，人工智能的集成有望顯著提高可穿戴皮膚設(shè)備的性能。通過利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法，這些設(shè)備可以通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息，反映人類神經(jīng)元的功能。這一技術(shù)進(jìn)步為個(gè)性化智能可穿戴皮膚設(shè)備的未來鋪平了道路。

可穿戴皮膚設(shè)備的應(yīng)用

可穿戴皮膚設(shè)備中的電極必須符合機(jī)械、電氣和生物相容性標(biāo)準(zhǔn)，以確保穩(wěn)定運(yùn)行、適合的皮膚接觸和長(zhǎng)期使用。具有非常高模量的傳統(tǒng)金屬電極難以承受皮膚運(yùn)動(dòng)，這促使了可拉伸結(jié)構(gòu)電極的發(fā)展，如網(wǎng)狀或交錯(cuò)設(shè)計(jì)。此外，在使用柔性材料制造可穿戴皮膚設(shè)備和混合材料方面也取得了進(jìn)展。

這些材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、高透明度、機(jī)械可變形性、強(qiáng)大的柔韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、防潮性和光滑的表面。鑒于某些特性需要權(quán)衡取舍，從各種材料和結(jié)構(gòu)角度對(duì)其進(jìn)行分析至關(guān)重要?？纱┐髌つw設(shè)備的下一個(gè)研究階段包括單獨(dú)確定機(jī)械、電氣和生物相容性要求，并根據(jù)預(yù)期用途增強(qiáng)電極的基本功能。

通過電極技術(shù)的創(chuàng)新、人工智能集成和混合功能的發(fā)展，可穿戴皮膚設(shè)備的未來有望取得重大進(jìn)展，有望通過為健康監(jiān)測(cè)和疾病治療提供更方便、準(zhǔn)確和多功能的工具，徹底改變醫(yī)療保健。此外，探索混合功能，將傳感、刺激和藥物輸送集成到集成系統(tǒng)中，是一個(gè)令人興奮的前沿領(lǐng)域。這種方法不僅簡(jiǎn)化了設(shè)備的使用，而且為單一設(shè)備的綜合診斷、治療和警報(bào)功能開辟了途徑。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s43246-024-00490-8

審核編輯：劉清