表皮电生理信号，如肌电（EMG）、心电（EEG）、眼电（EOG）和脑电（EEG）等是反映人体健康状况的重要生理指标。然而，运动状态采集高信噪比的电生理信号仍是一大挑战，是可穿戴电子器件用于医疗健康和人工智能领域亟需解决的问题。其原因是：1）电生理信号非常微弱（比如脑电信号核心频率为0-50 Hz，幅值 < 200 µV）；2）人在运动状态下，皮肤表面形貌变化和汗液分泌等，导致电极电位波动产生运动伪影。运动伪影的干扰使得表面电生理信号所含信息严重受损甚至完全掩盖。因此，能够实现长时间、高质量、全天候的电生理信号采集监测是可穿戴表皮电子的关键之一。目前商用电生理电极为Ag/AgCl凝胶电极，凝胶能够帮助电极在人体静止状态下与皮肤很好地接触，从而降低电极/皮肤界面的接触阻抗，但是当人体运动时，很容易在皮肤表面发生相对位移，带来运动伪影。同时，凝胶的流动性制约了阵列多点的肌群测试，长期使用可能引发皮肤过敏，凝胶干燥使信号不稳定等。
针对这一问题，北京师范大学化学学院刘楠教授团队设计制备了一种透明、导电、超薄无凝胶干电极（约100 nm厚），可以长时间、动态化地与皮肤形成无感的共形贴附，实现稳定的电极/皮肤电化学界面，用于低运动伪影和长时间的电生理信号采集监测。该电极是基于CVD生长的大面积石墨烯薄膜（~ 1nm厚）和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）协同相互作用而形成的超薄、透明、超导电薄膜（命名为PTG）。由于PEDOT:PSS和石墨烯之间的π-π相互作用，使得PEDOT共轭链高度有序排列，并且实现PEDOT和石墨烯之间有效电荷转移。这种协同相互作用，使得PTG电极具有超薄特性，并表现出极低的面电阻（24Ω/sq），极高的电导率（4142 S/cm），高透明度和拉伸应变下的电学稳定性。
图1 基于石墨烯和PEDOT:PSS协同相互作用的表皮电生理电极示意图。（a）PTG电极结构示意图；（b-e）拉曼光谱、紫外可见近红外光谱、电子自旋共振光谱表征；（f）石墨烯/PEDOT:PSS的π-π相互作用。
PTG电极的超薄、超导电特性和较低的杨氏模量使得该电极可以紧密贴附于皮肤表面，具有较低的电极/皮肤界面阻抗，因此可以精确采集皮肤表面电生理信号，尤其可以减少运动伪影的干扰。一个重要应用实例为面部肌电的实时检测。人体面部起伏较大常伴随褶皱、汗液分泌等，并且丰富的面部表情、说话咀嚼等动作使得面部长期处于运动状态，因此面部肌电信号采集极具挑战。PTG电极相较于商用电极能够稳定采集面部肌电信号，有效避免运动伪影和电极脱落。同时 PTG电极的超薄透明特性，使其可以同时观测皮下血流状态和采集肌电信号，在面瘫治疗中有潜在应用。也可以用面部表情控制机械手的运动，实现人机交互。在电生理信号中，脑电信号（EEG）强度弱、频率范围低，常常淹没在肌电、眼电及环境噪音中难以区分。将PTG电极贴附在被试者额叶，监测其不同状态下脑部活动达12小时，可以提取出被试者的脑电信号，清晰区分其在睡眠状态、运动状态以及运动后平静状态下的alpha（8-13 Hz）和beta（13-30 Hz）脑电波。
图2 PTG电极在表皮电生理信号采集方面的应用。(a-f) PTG电极在面部肌电、面瘫治疗和基于面部表情的人机交互中的潜在应用；(g) PTG电极长时间监测脑电信号。
该工作得到了国家自然科学基金、海外高层次人才计划启动基金、中央高校基础研究基金和北京市科委的资助。相关成果以题为“Ultra-conformal skin electrodes with synergistically enhanced conductivity for long-time and low-motion artifact epidermal electrophysiology”发表在《Nature Communications》上。文章第一作者为北京师范大学化学学院博士生赵艳，通讯作者为刘楠教授。
来源：北京师范大学
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25152-y
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