皮肤贴合的可拉伸硅基微针电极，用于运动场景中的长期肌电图监测
2023-10-21 21:52:28   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

肌电图（EMG）信号是肌肉细胞收缩时产生的电位。长期准确的肌电图监测是临床和人机接口应用中评估神经肌肉功能的理想选择。传统的表面肌电电极是银/氯化银（Ag/AgCl）湿电极。利用导电凝胶可以将Ag/AgCl湿电极贴合在人体皮肤上。由于含有一定量的导电离子，导电凝胶可以显著降低皮肤-电极的接触阻抗。然而，导电凝胶在使用前需要对受试者的皮肤进行清洁和去角质，这可能会导致过敏反应，从而增加受试者的心理负担。此外，湿电极的导电凝胶会随着时间的推移而逐渐变干，从而导致皮肤-电极接触阻抗的显著增加和性能退化。

为了实现对肌电图的长期监测应用，研究人员提出了干电极方案，但由于角质层的原因，干电极具有较高的皮肤接触阻抗。因此，微针结构被引入到干电极中。微针电极可以穿透皮肤角质层，从而大大降低接触阻抗，并保持阻抗的长期稳定性。硅具有良好的可修饰性、化学稳定性和较高的硬度，是半导体工业中使用的核心材料，具有成熟的系统加工方法。然而，硅基微针既没有足够的可拉伸性来适应皮肤和肌肉的运动和形变，也没有足够的鲁棒性来缓解微针在肌电信号收集过程中断裂的隐忧。

据麦姆斯咨询报道，为了应对上述挑战，来自杭州电子科技大学、清华大学、浙江清华柔性电子技术研究院和钱塘科技创新中心的研究人员共同设计和制造了一种皮肤贴合的、具有良好生物相容性和高鲁棒性的可拉伸硅基微针电极（SSME），用于运动场景下的长期肌电监测。相关研究成果近期以“Skin-integrated, biocompatible, and stretchable silicon microneedle electrode for long-term EMG monitoring in motion scenario”为题发表在npj flexible electronics期刊上。

这种可拉伸硅基微针电极的结构灵感来自于植物的刺，由硅微针、用聚酰亚胺（PI）封装的蛇形互连和聚氨酯衬底组成。微针的根部被包埋在底部聚酰亚胺层/金属层/顶部聚酰亚胺层的夹层中。植物刺状结构增加了微针与柔性基底的接触面积，增强了界面强度，减轻了形变时微针根部的应力集中。以上这种结构，连同蛇形互连，是通过半加成工艺获得的。

图1 可拉伸硅基微针电极的设计

图2 可拉伸硅基微针电极的制备

为了测试这种可拉伸硅基微针电极的可拉伸性和抗拉伸形变疲劳性能，研究人员使用如图2f中所示的装置对其进行了反复拉伸。测试结果表明，可拉伸硅基微针电极在反复拉伸后不产生裂纹、脱层和起皱失效，由于其具有可拉伸设计，整个器件在弹性形变范围内。以上结果表明，这种可拉伸硅基微针电极能够适应运动场景中人体的随机和动态形变。

接着，为了验证这种可拉伸硅基微针电极的安全性，研究人员进行了细胞毒性测试，结果表明其具有生物相容性，可以长时间安全穿戴。此外，阻抗性能对比的研究结果证实，与市售湿电极相比，可拉伸硅基微针电极具有更好的稳定性，可以长时间保持阻抗的微小变化，适用于长时间、多场景的肌电信号检测。

图3 阻抗测试和细胞毒性实验

最后，为了证明这种可拉伸硅基微针电极在运动过程中长期监测肌电信号的可行性，研究人员在受试者运动过程中的0小时和6小时，分别利用可拉伸硅基微针电极和湿电极测量了受试者的表面肌电信号。结果表明，可拉伸硅基微针电极具有与湿电极相当的表面肌电记录能力，并且在长时间运动场景中呈现出更优的性能。

图4 利用可拉伸硅基微针电极进行肌电信号的检测与分析

图5 运动中肌电信号的长期监测

综上所述，该研究设计和制备的可拉伸硅基微针电极在可穿戴医疗监测、肌电假体和人机接口方面具有巨大的应用潜力。在后续的研究中，还需要对已制备的微针电极进行进一步的改进来实现更优良的性能。例如，可以通过制备高密度的微针电极以实现更高的肌电信号监测空间分辨率；还可以将信号处理IC芯片集成到柔性衬底上，从而将模拟信号转换为数字信号以减少信号传输干扰。此外，皮肤贴合的微针电极在不同疾病的诊断或治疗中的应用研究也值得开展。总而言之，希望这些类皮肤肌电图电极能够变革长期肌电图监测的研究，增强人们的理解，最终实现更准确的疾病诊断和个性化的治疗，并改善患者的预后。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-023-00279-8

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