华南理工大学刘岚教授/安徽大学陈松博士 AFM：一种界面增强的聚硫辛酸/液态金属表皮电极

摘要：远程医疗的发展和普及对便携式电生理监测设备提出了更高的要求。表皮电极作为电生理信号（如肌电（EMG）、心电（ECG）和脑电（EEG）等）采集的核心接口，在确保信号精确、稳定和持续采集与传输起着关键作用。然而，目前商用Ag/AgCl表皮电极存在三个局限性：（1）

远程医疗的发展和普及对便携式电生理监测设备提出了更高的要求。表皮电极作为电生理信号（如肌电（EMG）、心电（ECG）和脑电（EEG）等）采集的核心接口，在确保信号精确、稳定和持续采集与传输起着关键作用。然而，目前商用Ag/AgCl表皮电极存在三个局限性：（1）离子导电水凝胶电导率低，对皮肤阻抗高；（2）水凝胶电极缺乏粘附性，依赖无纺布胶带固定；（3）无纺布胶带与人体皮肤的模量失配，限制了表皮电极与人体皮肤的共形集成，降低了电生理信号采集的可靠性。因此，开发兼具低模量、强粘附性和高导电性的表皮电极仍然是材料工程领域的重大挑战，对推进下一代可穿戴设备至关重要。

针对上述问题，华南理工大学刘岚教授团队将聚乙烯吡咯烷酮引入聚α-硫辛酸（PTA）中，通过在PTA网络和液态金属颗粒表面原位形成离子团簇，来提高柔性PTA的机械强度和韧性，及其与液态金属的界面作用。进而报道了一种具有高柔软性（杨氏模量为175.86 kPa，低于人体皮肤）、高粘附韧性（1604 J m-2）、高拉伸性（>20000%）、快速自愈合性和良好生物相容性的表皮电极（PTPL）。得益于离子团簇的桥接作用，液态金属颗粒的剥离烧结，使得PTPL表皮电极表现出高电导率（26.19 mΩ sq-1）和低皮肤阻抗，提供了高信噪比（28.07 dB），及人体电生理信号监测的高准确性。这项工作为平衡聚合物材料的柔韧性、自粘性和导电性以适用于表皮电极提供了一种新策略。

该工作以“In Situ Formation of Ion-Clusters on Liquid Metals Surface for Simultaneously Improving Adhesive Toughness and Conductivity Toward Epidermal Electrodes”为题发表于《Advanced Functional Materials》，第一作者为华南理工大学硕士研究生陈心渝，共同通讯作者为安徽大学陈松老师和华南理工大学刘岚教授。本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金，安徽省自然科学基金和广东省重点领域研发计划项目的资助。

图1. PTPL表皮电极的制备、特性和应用示意图。

图2. PTP弹性体的表征和机械性能。a) FTIR光谱。b) 2DCOS同步和异步谱。c) 不同热训练时间后的流变扫频曲线。d) 时间-温度叠加流变主曲线。e) 通过Arrhenius方程或Williams-Landel-Ferry（WLF）方程进行Ea拟合。f) 70 °C下不同加热时间的应力-应变曲线及其相应的g) 杨氏模量和拉伸韧性。

图3. PTP弹性体的高自粘附性能。a) 自粘附机理示意图。b) 在不同基材上的界面韧性。c) 不同加热时间下的界面韧性及其相应的d) 剥离力-位移曲线。e) 构建拉拔模型以模拟PTP弹性体和基材之间的粘附分离过程。f-g) PTP弹性体与玻璃/PET界面拉拔分离过程模拟。

图4. LMs@PVP颗粒的制备和复合区域的特性。a) 超声制备LMs@PVP颗粒。b) 复合区域横截面的SEM图像及其元素映射。c) PTP弹性体与LMs导电层复合前后的粘附性能以及d) 力学性能对比。e) 商用Ag/AgCl表皮电极和PTPL表皮电极的皮肤阻抗对比。

图5. PTPL表皮电极的生物相容性测试和肌电信号监测应用。a) PTPL表皮电极和Ag/AgCl表皮电极的数码照片及其b) 皮肤接触测试。c) 72 小时的细胞活力测试（L929成纤维细胞，CCK-8）。d) 与HUVEC和L929成纤维细胞共培养24小时后的活/死细胞双重染色荧光显微镜图像。e) Ag/AgC1表皮电极和PTPL表皮电极记录的EMG信号对比。f) PTPL表皮电极记录的EMG信号频谱图。g) EMG结果经过1Hz、20Hz和50Hz高通滤波器滤波后的信号。

图6. PTPL表皮电极的心电和脑电监测应用。a) 单个心电周期显示PRQST波形。b) 连续佩戴24小时内，PTPL表皮电极记录的心电信号。c) 脑电信号监测示意图。d) PTPL表皮电极捕获的10秒EEG信号切片。e) 睁/闭眼实验中EEG时频图显示的α节律以及f) 幅频图显示的经典α振荡包络。g) SSVEP实验中PTPL表皮电极捕获的EEG信号以及h) 相应的幅频关系（左：7.14 Hz，中：10.0 Hz，右：12.5 Hz）。