基于微针阵列复合导电水凝胶的柔性传感器设计

基于微针阵列复合导电水凝胶的柔性传感器设计

娄旺

中核(北京)核仪器有限责任公司

摘要：传统的生物电信号监测设备所采用的电极仍为湿电极，湿电极在人体上应用则需要使用导电膏及对角质层处理以降低接触阻抗，存在监测后皮肤损伤或生物感染以及监测过程中过敏等问题。为解决湿电极应用的固有问题，在电极材料表面上进行一定微结构阵列设计，使得微结构能够刺入皮肤角质层，降低人体皮肤与电极的接触阻抗，在不需要导电膏及皮肤预处理的情况下，实现稳定的信号监测。本文在微针阵列结构设计及制备的基础上，进行了电极材料的设计及分析，完成对人体信号的肌电信号(electromyogram, EMG)监测。为后续进行脑电信号(electroencephalogram, EEG)的监测及分析研究提供实验基础。

关键词：肌电信号   导电水凝胶   微针阵列 

0 引言

当前，临床对人体的生理信号的监测设备还需要通过电极帽和金杯电极并搭配导电膏。使用前需要对皮肤进行去角质处理，以降低皮肤阻抗，但是这一过程会加大皮肤过敏及损伤的可能。

本文在微针阵列结构设计及制备的基础上，进行了电极材料的设计及分析。本文所用电极材料为PEDOT:PSS导电聚合物，在冻干并研磨后添加到离子水凝胶中，制备出的复合导电水凝胶既兼备生物相容性，又具有良好的导电功能。最后完成对人体信号的肌电信号EMG监测。为后续进行脑电信号EEG的监测及分析研究提供实验基础。

1微针阵列干电极概述

水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物凝胶，由富含亲水基团的高分子链在水中交联而成，具有优异的柔软性、延展性、材料设计性和生物相容性等特征。通过添加导电填料以实现具有上述水凝胶特定功能的基础上兼具良好的导电性能。

1.1相关术语

电导率：描述物质中电荷流动难易程度。

生物相容性：描述材料在机体的特定部位引起恰当的反应。

导电膏：水溶性高分子导电凝胶，电极片与皮肤之间的中间体，减少两者之间的电位差、接触阻抗。

PDEOT:PSS：一种聚合物共混物，其中单体EDOT为导电相，但难溶于水。聚合物PEDOT更加不溶于水。强聚电解质PSS起到平衡电极性及促进PEDOT溶解。生物相容性较好。

微针电极：在导电电极上设计并制备的阵列微结构，尺度在几百微米。主要通过刺破皮肤角质层，与低电阻的表皮层接触。

1.2 微针阵列电极工作原理

对于微针电极的应用，一般是在一定微创条件下，刺破皮肤角质层，与表皮层建立一条低阻性的导电通道。人体皮肤最外层的角质层主要由10~20层死亡细胞组成，具有较高的电阻（MΩ量级），因此如果直接将导电电极贴附在皮肤上，超高的接触电阻会淹没采集的电信号。对于不同类型的电极与皮肤之间的等效接触阻抗如图1所示1。

图1  不同电极类型与皮肤界面电阻模型

湿电极的应用需要角质层处理，打磨掉表面的死亡细胞的方式降低接触电阻，并添加一定的导电膏进一步降低阻抗，但是不同人对导电膏的耐受性不同，因此存在过敏甚至皮肤损伤的现象。

通过微针电极微创式的应用，刺破高阻抗角质层，不需要导电膏，可以避免生物敏感性的问题，同时也能避免湿电极在工作过程中操作繁琐、接触界面不稳定、长时程性能退化等缺陷。

近年来的微针电极设计主要有金字塔形、微针形等，处理成形方式也多种多样，有通过模具成形的2-3、3D打印的4、磁流变等方式。

图2  微针电极形态：a) 金字塔形；b) 3D打印微针；c) 磁流变微针；d) 圆锥微结构模具成形

在设计和制备微针阵列干电极时还存在一些问题。只有离子导电水凝胶的情况下，虽然保证了生物相容性的优势，但是生物电信号采集的稳定性及灵敏度并不好，主要由于界面性能与单相导电机制的限制。

针对上述问题，本文提出在离子导电水凝胶中引入导电聚合物材料PEDOT:PSS，制备出具有离子/电子导电的复合水凝胶，并利用微针制备完成后在一定时间内的水凝胶失水性，实现微针结构从软相到硬相的转变，同时保证微针基底主体还保持较好的柔软性，微针在刺入人体皮肤后，由于水凝胶自身的吸水性，硬相的微针在表皮层与人体体液接触后会有一定吸水作用并略微膨胀，并且由于复合水凝胶的良好相容性，能够实现较好的与人体皮肤的贴附接触，具有较好的界面性能。另外电子导电相PEDOT:PSS聚合物的存在则保证了较好的EMG信号采集。

2微针电极EMG信号采集分析

2.1复合水凝胶微针电极的制备

我们采用双网络水凝胶的配制方法，增加传感器的韧性，其中丙烯酰胺、丙烯酸作为单体，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）作为交联剂，2-羟基-4’-（2-羟乙氧基）-2-甲基苯丙酮（I2959）作为光引发剂，氯化钙用做离子导电材料，PEDOT:PSS导电聚合物作为电子导电材料。

制备过程中我们使用电子天平（图3a）称量药品，同时使用磁力搅拌器（图3b）对前驱体溶液进行搅拌，使药品在去离子水中充分溶解，充分搅拌之后我们将前驱体溶液倒入模具（图3c）中在紫外灯下固化。

图3  a) 电子天平；b) 磁力搅拌器；c) 微针模具

我们使用出品商iiitech，型号为cyton的脑电信号主板无线采集模块，主要包括电池仓、无线模块主板以及微针电极，微针电极通过导电银浆粘附在铜电极上，将组装好的传感器利用医用胶带或透明胶带贴附在人体上。

图4  肌电信号采集设备及结果：a) 信号采集主板模块；b) 铜电极贴附微针；c) 人体肱二头肌及测试结果e)；d) 人体前臂腕屈肌及测试结果f)

我们测试了人体肱二头肌的收缩舒张及前臂腕屈肌的肌电信号（图4c-f），志愿者在一定时间内弯曲胳膊和转动腕部时，通过微针电极能够明显的监测相应部位肌肉群肌电信号反馈，通过通道1的电压值的变化，有效的监测到人体动作到肌电信号的转换及反馈。

2.2 复合水凝胶微针传感器的电学性能分析

我们在阻抗分析仪器上进行了微针电极的电阻信号的采集，在一定扫频范围内的电信号采集，最终微针电极复合水凝胶的电阻稳定在37kΩ左右，验证了复合水凝胶微针电极的低电阻性。

微针电极的低电阻性能对于实现监测肌电信号提供了有利的实验基础。最后用origin软件对数据进行处理，最后我们得到如图5所示的结果曲线。

图5 复合水凝胶微针电极电阻测试

3 小结

微针阵列电极可以在较小的接触微创面积下实现较好的EMG信号的采集，并且通过与无线采集模块的结合可以实现可穿戴式的EMG信号的实时采集，能够实现连续动态、界面性能优异不受运动姿态的影响的应用需求。本文实现将导电聚合物PEDOT:PSS引入到离子水凝胶中，制备的离子/电子复合水凝胶能够在保持较好的生物相容性的基础上实现较好的界面贴附接触及稳定的电压信号采集。这为后续脑电信号采集及相关脑电波的监测与分析提供了有益的帮助。也为需要采集EMG信号的临床医学和研究与应用,尤其是需要使用便携可穿戴设备的场景提供了有效的方案。

参考文献

[1] 张嘉言, 李君实, 张致同, 黄东, 李志宏，用于脑电图采集的柔性微针阵列干电极技术，微 纳 电 子 与 智 能 制 造，2022年9月。

[2] WANG R X, JIANG X M, WANG W, et al. A microneedle electrode array on flexible substrate for long-term EEG monitoring [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 244: 750-758。

[3] 陈远方, 裴为华, 张利剑，一种基于硬性微针阵列的柔性干电极及其制备方法，微 纳 电 子 与 智 能 制 造，2022年9月。

[4] HOU Y, LI Z Y, WANG Z Y, et al. Miura-ori structured flexible microneedle array electrode for bio-signal recording [J]. Micr-osystems & Nanoengineering, 2021, 7(1): 53。