Small:定向汗液输运的全纳米纤维基Janus表皮电生理传感器

表皮电子具有皮肤共形接触特性和与皮肤相匹配的模量,被认为是无创记录电生理信号的理想平台,在健康监测、运动管理和人机交互界面等领域有着广泛的应用前景。然而,现有表皮电子器件大多基于非透气性基质,在运动出汗情况下,汗液不可避免地在皮肤/器件界面累积,严重影响皮肤/器件界面间的共形接触并破坏皮肤/环境间的热湿平衡。近年来,研究人员为了缓解汗液在皮肤/器件界面间的累积,通过构建密集分布的通孔结构实现了具有汗液渗透性的表皮电子器件(包括无衬底传感器、多孔衬底基表皮电极、纳米纤维/纳米线导电复合薄膜等)。虽然这些器件可在一定程度上实现汗液从皮肤的转移,但汗液被输送出来后仍会回流到皮肤/器件界面,易引起器件从皮肤表面脱离而导致电生理信号的漂移、变形甚至失效,且无法消除皮肤表面潮湿带来的不舒适感。因此,如何通过材料与结构的创新设计及时定向输运皮肤/器件界面间的汗液,并阻止汗液的反向回流是重要的问题。

苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员课题组受自然界非对称润湿性结构(如蜘蛛丝、甲虫皮肤、仙人掌棘等)控制液体定向输送机制的启发,开发了一种医用胶(MA)增强的超亲水水解聚丙烯腈(HPAN)/聚氨酯(PU)/银纳米线(AgNW)全纳米纤维网络Janus织物传感器。所制备的器件具有优越的定向汗液输送特性,可自发地将汗液从皮肤/传感器界面输送到超亲水层,并防止汗液反向渗透。与商用Ag/AgCl凝胶传感器和亲水织物传感器相比,Janus织物传感器记录的人体肌电图(EMG)和心电图(ECG)信号显示无汗液伪影、信号退化和基线漂移。

研究人员通过静电纺丝结合真空抽滤工艺制备了由AgNW导电层、TPU疏水层、HPAN超亲水层和MA粘附点层组成的新型Janus织物传感器。不同于传统透汗型表皮电子器件的双向汗液渗透性,该Janus织物传感器因其渐进润湿性的结构设计被赋予单向汗液渗透特性。Janus织物传感器的典型厚度为~15 μm,在压缩、拉伸、扭转状态下能够与皮肤保持共形接触。作为纤维/纤维间、纤维/纳米线间锚点的MA,不仅提升了多层膜异质界面间的粘附强度,还赋予Janus织物传感器高机械和电学稳定性。应用于人体EMG/ECG信号记录时,该器件可通过及时移除皮肤/传感器界面的汗液并使其快速蒸发,从而保持稳定的界面接触阻抗和良好的信号质量。研究人员相信将非对称润湿性结构设计应用于表皮电子领域为开发下一代适合长期电生理信号监测的透汗型表皮电子器件提供了一个独特的视角,并有助于将其应用场景扩展到运动出汗、伤口渗液等更具挑战性的条件。

上述研究工作得到了国家重点研发计划(2017YFA0701101,2018YFB1304700)、国家自然科学基金项目(61801473,62071463,22109173)和国家杰出青年科学基金项目(62125112)的支持。

论文信息:

All-Nanofiber-Based Janus Epidermal Electrode with Directional Sweat Permeability for Artifact-Free Biopotential Monitoring

Xianqing Yang, Shuqi Wang, Mengyuan Liu, Lianhui Li, Yangyong Zhao, Yongfeng Wang, Yuanyuan Bai, Qifeng Lu, Zuoping Xiong, Simin Feng, Ting Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106477

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106477