生物電信號(hào)是指人和動(dòng)物活細(xì)胞和組織在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下產(chǎn)生的有規(guī)律的電信號(hào)。生物電信號(hào)主要包括心電（ECG）信號(hào)、腦電（EEG）信號(hào)、肌電（EMG）信號(hào)和眼電（EOG）信號(hào)等，它們能夠反映人體細(xì)胞或組織的生理狀態(tài)。通過(guò)對(duì)生物電信號(hào)的監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種生理疾病的早期診斷與預(yù)防。生物電干電極作為獲取生物電信號(hào)的核心部件，在心血管疾病的治療與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域研究，天津工業(yè)大學(xué)劉皓教授團(tuán)隊(duì)在《微納電子技術(shù)》期刊上發(fā)表了一篇題為“柔性微結(jié)構(gòu)生物電干電極研究進(jìn)展”的綜述文章，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，介紹了微結(jié)構(gòu)生物電干電極的工作原理；基于微針結(jié)構(gòu)、微柱結(jié)構(gòu)和微褶皺結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，將微結(jié)構(gòu)干電極分為三類，分別從電極材料選擇、電極制備工藝、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生物電信號(hào)采集性能等方面進(jìn)行了綜述；最后分析了三種微結(jié)構(gòu)生物電干電極在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)生物電信號(hào)監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。
微結(jié)構(gòu)生物電干電極工作原理
根據(jù)基底材料特性，生物電干電極可分為剛性生物電干電極和柔性生物電干電極。與剛性基底相比，柔性基底可以自然貼合皮膚曲面，更好地適應(yīng)皮膚的結(jié)構(gòu)和表面毛發(fā)，具有舒適、穩(wěn)定、阻抗低等性能，因而在長(zhǎng)期生物電信號(hào)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
按照電極和皮膚的接觸傳感類型，柔性微結(jié)構(gòu)生物電干電極的工作原理分為表面接觸式和穿透接觸式。表面接觸式工作原理是指生物電干電極與皮膚緊密接觸而不刺穿皮膚，在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)人體造成任何不適。但是，干電極在與皮膚接觸時(shí)會(huì)不可避免地存在間隙，皮膚的汗水會(huì)在電極和皮膚之間產(chǎn)生電阻。穿透接觸式工作原理是指生物電干電極穿透皮膚的角質(zhì)層與表皮層直接接觸，避免了電極與角質(zhì)層界面的接觸阻抗和離子濃度差異所導(dǎo)致的電位，相比表面接觸式工作原理的等效電路較為簡(jiǎn)單，除了真皮層和皮下層組織的電阻外，只有電極與表皮導(dǎo)電層的耦合存在。
圖1 表面接觸式微結(jié)構(gòu)生物電干電極的工作原理
圖2 穿透接觸式微結(jié)構(gòu)生物電干電極的工作原理
基于微結(jié)構(gòu)的柔性生物電干電極
根據(jù)微結(jié)構(gòu)的形狀特點(diǎn)，可將微結(jié)構(gòu)生物電干電極分為微針干電極、微柱干電極和微褶皺干電極。
（1）微針干電極
皮膚角質(zhì)層由電絕緣的死細(xì)胞構(gòu)成，可作為抵御外界機(jī)械刺激的屏障，因此具有較高阻抗。為了減少不穩(wěn)定和絕緣角質(zhì)層的影響，有研究人員提出基于微針陣列的干電極。這種微針足夠鋒利，可以穿透角質(zhì)層，并且足夠短，可以避免到達(dá)真皮層，因此這種干電極具有微創(chuàng)性，可以通過(guò)在皮膚下方建立一個(gè)新的電接口，大大降低接觸阻抗。但是由于其侵入皮膚的接觸方式，很容易使佩戴者產(chǎn)生痛感以及炎癥甚至抵觸心理；而且在皮膚運(yùn)動(dòng)過(guò)程中微針有折斷的風(fēng)險(xiǎn)，不利于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)生物電信號(hào)的監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)制備柔性微針陣列干電極的方式是通過(guò)在柔性襯底上加工金屬涂層或填充導(dǎo)電材料使其具有導(dǎo)電性和拉伸性。隨著研究的深入，一些仿生結(jié)構(gòu)（例如植物的葉刺、水鳥(niǎo)的喙以及樹(shù)蛙腳的排水結(jié)構(gòu)等）被應(yīng)用到微針干電極中。
（2）微柱干電極
由于微針干電極在使用時(shí)需刺穿皮膚使受試者產(chǎn)生不適感，并且微針結(jié)構(gòu)可能因強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂，有感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，無(wú)需穿透皮膚即可采集生物電信號(hào)的非侵入式微結(jié)構(gòu)干電極受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。其中最具代表性的是微柱干電極。微柱干電極通過(guò)電極表面的柱狀結(jié)構(gòu)與皮膚角質(zhì)層緊密接觸，以非侵入的方式監(jiān)測(cè)生物電信號(hào)，具有以下優(yōu)勢(shì)：微柱結(jié)構(gòu)增加了電極和皮膚表面的有效接觸面積，提高了電極的穩(wěn)定性；微柱結(jié)構(gòu)之間的空隙可以容納一定的汗液和毛發(fā)，增大摩擦力的同時(shí)降低了電極與皮膚界面之間的接觸阻抗，減少了信號(hào)的噪聲；與微針干電極相比具有更高的柔軟性和可拉伸性，所使用的電極材料的生物相容性更好，有效避免了皮膚的損傷，更適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
隨著研究的深入，仿纖毛、仿壁虎腳、仿蚱蜢腳和仿章魚(yú)吸盤等一些仿生結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到干電極中。仿生結(jié)構(gòu)電極是通過(guò)仿照自然界動(dòng)物、植物自身獨(dú)有的物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出機(jī)械性能穩(wěn)定、功能獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)電極。
（3）微褶皺干電極
與平面結(jié)構(gòu)相比，微褶皺結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積。褶皺干電極通過(guò)毛細(xì)管作用使周圍多余的水分子通過(guò)褶皺溝槽排出，有效增強(qiáng)了電極對(duì)潮濕的皮膚表面附著力，有助于使皮膚保持干燥，避免出現(xiàn)細(xì)菌滋生與感染。與商用凝膠電極相比，褶皺干電極能連續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)損失。但是目前制備生物電干電極上的褶皺結(jié)構(gòu)的工藝單一、無(wú)法精準(zhǔn)控制褶皺的尺寸，仍有待研究。
結(jié)語(yǔ)
柔性微結(jié)構(gòu)生物電干電極通過(guò)獲取高質(zhì)量、穩(wěn)定的生物電信號(hào)成為長(zhǎng)期可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，在醫(yī)療保健方面具有重要意義。近些年來(lái)，研究人員受到自然界中某些動(dòng)物、植物獨(dú)特功能的啟發(fā)，將一些特定的仿生結(jié)構(gòu)添加到不同的微結(jié)構(gòu)電極中，為電極賦予了粘附、吸水、透氣和排水等功能，實(shí)現(xiàn)了與微結(jié)構(gòu)協(xié)同增強(qiáng)的效果，提高了柔性微結(jié)構(gòu)干電極的透氣性、舒適性和穩(wěn)定性。未來(lái)，將多種微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，制備具有多種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能的生物電干電極有望成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。目前，柔性微結(jié)構(gòu)生物電干電極存在使用耐久性能低、長(zhǎng)期佩戴舒適性差、在劇烈運(yùn)動(dòng)條件下噪聲明顯等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有一定的差距，需要科研人員進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
隨著柔性電子與智能可穿戴技術(shù)的蓬勃發(fā)展，柔性干電極正向著高質(zhì)量、高舒適性、能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)方向不斷發(fā)展。越來(lái)越多的研究人員正致力于開(kāi)發(fā)多功能生物電監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅可以采集人體各部位的ECG、EEG、EMG、EOG信號(hào)，還將生物電傳感器、拉伸傳感器以及溫度傳感器等集成到一起，實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集人體的生物電信號(hào)、皮膚形變以及溫度變化，力求實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的集成化、小型化和多功能化。
論文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.24010102
