柔性耐用生物电子：医疗可穿戴设备的未来

持续监测生物信号的可穿戴电子设备的使用改变了医疗保健和健身行业。这些设备越来越普遍，预计到2033年，市场估值将达到约5720.6亿美元。

随着这种快速增长，对能够长时间准确记录生物信号的高质量生物电子的需求不断增加。然而，目前用于生物电极的许多材料，如金属、导电聚合物和水凝胶，都有局限性。它们通常缺乏在不断裂的情况下拉伸皮肤的灵活性，并且湿度低，导致汗液积聚和不适

为了解决这些局限性，在2024年6月20日发表在《NPG亚洲材料》杂志上的一项研究中，由东京理工学院助理教授Horii Tatsuhiro和副教授Toshinori Fujie领导的一个研究小组开发了一种可拉伸、可渗透湿度、与皮肤紧密贴合的生物电极材料

这种创新材料由导电纤维网络层组成，导电纤维网络由可拉伸的聚（苯乙烯-丁烯-苯乙烯）（SBS）纳米片上的单壁碳纳米管（SWCNT）组成。纳米片与皮肤紧密贴合，可以进行精确的生物信号测量，而碳纳米管纤维则保持材料的拉伸性和透气性

研究人员将SWCNT作为水分散体应用于SBS纳米片上，形成了厚度仅为431nm的多层。SWCNT的每一层都增加了纤维的密度和厚度，改变了生物电极的特性。虽然添加更多的SWCNT层增加了纳米片的刚度（从最初的48.5MPa弹性模量增加到单层的60.8MPa和五层的104.2MPa），但生物电极保持了令人印象深刻的灵活性

原始SBS纳米片和具有一层或三层SWCNT的那些（SWCNT第三SBS）在永久变形前弹性拉伸其原始长度的380%。这种灵活性超过了像金这样的金属电极，金的杨氏模量在几百GPa范围内，在断裂前只能拉伸不到其原始长度的30%

生物电极的另一个关键要求是高水蒸气渗透性，以防止运动中汗液积聚。添加SWCNT是有益的，因为与连续膜相比，其纤维网络结构提高了透气性。在测量水蒸气透过率（WVTR）的实验中，研究人员发现SWCNT 3rd SBS的WVTR为28316 g m-2（2 h）-1，是正常皮肤的两倍

生物电极材料在长期使用中也具有很高的弹性。为了测试这种材料的耐用性，研究人员将生物电极浸入人造汗液中，并对其进行反复弯曲，测量电阻的变化

在这些测试中，他们发现阻力的增加可以忽略不计，在汗液中仅增加1.1倍，在300次弯曲循环中增加1.3倍。此外，SWCNT第三SBS纳米片在摩擦十次后几乎没有分离，表明其适合长期使用

为了评估其真实世界的性能，研究人员将具有三层SWCNT的SBS纳米片与商用生物电极材料（如Ag/AgCl凝胶电极）进行了比较。将生物电极连接在前臂上，并在抓握动作过程中进行表面肌电图（sEMG）测量

在该实验中，SWCNT-SBS纳米片的性能与商用Ag/AgCl凝胶电极的性能相当，分别实现了24.6dB和33.3dB的相似信噪比

富杰总结道：“我们获得了具有高水蒸气渗透性的皮肤相容性生物电极，其表面肌电测量性能与传统电极相当。”富杰强调了该材料在医疗保健可穿戴设备中的良好性能 More information: Tatsuhiro Horii et al, Ultrathin skin-conformable electrodes with high water vapor permeability and stretchability characteristics composed of single-walled carbon nanotube networks assembled on elastomeric films, NPG Asia Materials (2024). DOI: 10.1038/s41427-024-00553-9