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我系微流控-生物材料實驗室設計開發可實現肌腱定位和肌肉損傷預防的肌電電極陣列

2023-10-20

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? ? ? ?表面肌電圖（sEMG）可以提供關于肌肉表現的多重信息。理想的sEMG電極應該是可拉伸的，并且能夠多次重復使用，這才能為連續監測提供足夠多的高質量數據。然而，這些特性的缺乏極大地限制了sEMG在醫療和日常生活中的廣泛使用。為解決上述問題，近日，南方科技大學微流控-生物材料實驗室和利茲大學Samit Chakrabarty教授等人通過使用單寧酸、聚乙烯醇和PEDOT:PSS設計了粘合劑干電極（TPP）。TPP電極具有優異的拉伸性（~200%）和粘附性（0.58?N/cm），可確保與皮膚的穩定長期接觸以進行記錄（>20?dB；>5天）。基于TPP，作者還開發了一種金屬聚合物電極陣列貼片（MEAP）。MEAP表現出比商業陣列更好的順應性，從而可在肌肉運動過程中產生更高的信噪比和更穩定的記錄。MEAP采用可擴展絲網印刷制造，具有完全可拉伸的材料和陣列結構，能夠實時監測肌肉應力、疲勞和肌腱位移。相關研究以“Stretchable surface electromyography electrode array patch for tendon location and muscle injury prevention”為題發表在《Nature Communications》上。

? ? ? 在研究團隊先前的工作中，由共晶鎵銦合金（EGaIn）制成的可打印金屬聚合物導體（MPC）具有高度拉伸性和柔性、導電性和生物相容性，已被用作柔性電路、應變傳感器和電穿孔電極。憑借這種柔性電路，作者可在彈性基板上實現用于高密度記錄的全保形多通道sEMG電極。但是使用這種液態金屬作為皮膚上的接觸電極可能存在泄漏和磨損問題，這嚴重減少了設備的工作時間。相比較而言，聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）作為一種替代材料，由于其良好的生物相容性、高導電性和高電化學穩定性，是一種更合適的導電聚合物。然而，純PEDOT:PSS膜只有~5%的應變，這不足以適應大多數皮膚變形。而其水溶性特性也限制了針對汗液的應用，并且其抗摩擦能力也比較差，會影響接觸皮膚時的耐久性。此外，純PEDOT:PSS膜的不粘附性也存在接觸問題，可能會降低電生理信號質量。因此，如何制造保形、粘合和堅固的干電極成為一個需要解決的問題。為此，作者將單寧酸、PVA與PEDOT:PSS混合制造了粘性、可拉伸、生物相容性和無凝膠的TPP電極，并基于TPP進一步開發了貼片MEAP（圖1）。

圖1 MEAP

? ? ? ?如圖2所示，由于TPP的高拉伸性和粘附性，電極即使在皮膚褶皺中也能保持穩定的接觸，從而提供較低的界面阻抗。作為干電極，它可以具有更長的工作時間，是Ag/AgCl電極的16倍。基于MPC電路，作者還制作了一種多通道sEMG金屬聚合物電極陣列貼片，以實現高質量、高密度的sEMG信號，用于監測肌肉負荷和肌肉疲勞，其性能比商用sEMG陣列更穩定。更重要的是，MEAP可持續監測肌腱位移，將肌腱拉伸控制在安全范圍內，從而降低肌肉或肌腱損傷的風險。