生物电信号是人体最基本的生理信号之一，通过对生物电信号的监测可以对多种生理疾病进行诊断和预防。随着微电子科技的不断发展，越来越多的医疗科技选择使用电极贴片与诊断设备集成，以实现长期实时监测人体健康状况的医疗保健系统。监测系统对于预防突发性强、致命性高的心脑血管疾病（如脑血栓、心肌梗塞、心律失常以及心脏骤停等心脑血管疾病）有着显著的作用，对于患者的健康安全有重大意义。

生物电监测电极作为测量系统的重要组成单元，直接与人体接触采集生物电信号，是生物电传感器中最为核心的基础部件。常见的是银-氯化银（Ag/AgCl）凝胶电极，但由于凝胶或粘合剂会对皮肤产生刺激，很难用来长期监测生物电信号。为了实现长效接触监测的功能，生物相容性良好的干电极技术近年来得到了较大的发展。然而，由于皮肤的粗糙、弹性质地，附加汗水，油脂、皮屑和毛发等表面特性，干电极技术在皮肤附着力、接触阻抗、透气性等创新优化方面仍面临较大挑战。

[典型具有附着与固定能力的生物结构与功能实现策略]

由于自然环境下目标附着表面的复杂多样性，依靠单一的黏附机制往往不足以提供生物体稳定的附着和快速的运动的能力。几乎所有具有全空间运动能力的生物，均拥有两种及以上的界面附着策略，且生物体型越大，越需要多种附着方式协同作用来提升界面附着力以平衡自重。生物高鲁棒性的附着调控特性依赖于生物脚爪精细的跨尺度附着结构，以及附着结构所呈现的机制之间的协同作用。

[微针摩擦与树蛙湿黏附协同的仿生电极设计]

受此启发，本研究设计了一种微针摩擦与树蛙湿黏附协同的仿生电极，银基微针阵列（高度80μm）与皮肤角质层的接触可以提供高的摩擦力，同时可以作为生物电信号采集单元，实现对心电、肌电信号的有效监测。而六边形仿树蛙结构一方面可以保障皮肤表面排汗透气的需求，另一方面可以起到增大湿黏附的能力，并且分离的六边形单体设计，可以有效阻止脱附过程中的界面裂纹扩展，进一步增强与皮肤的附着力。

[仿生电极与皮肤的接触附着稳定性测试]

为了验证仿生电极与皮肤的接触附着稳定性，分析了静态、动态、不同润湿状态、不同负载扰动条件下仿生电极的附着力，可以看到，仿生电极在干态或者湿态皮肤表面上可以承受法向最大100g，切向最大200g的扰动载荷。其中法向力的产生一方面有一定的负压吸附效果，尤其是湿润表面，另一方面成对出现的切向高摩擦可以形成类似壁虎黏附在天花板上的互锁作用，实现法向的客观黏附力。结果表明在日常活动（包括步行，坐着，睡觉等）期间，不需要对皮肤进行特殊的预处理，便可保障电极可靠地固定在皮肤上。

[仿生电极的皮肤界面阻抗和生物电监测应用]

仿生电极的皮肤界面阻抗测试显示，在100Hz以下（人体心电图和肌电信号的主要频带），仿生电极的接触阻抗明显低于标准Ag/AgCl凝胶电极。在监测志愿者的EMG和ECG生物电信号应用中，仿生电极也展示出了较好的动态和静态采集性能。这主要归因于微针阵列与皮肤高阻抗角质层形成机械锁合，与六边形的仿生湿黏附垫协同作用，增强了仿生电极与皮肤表面的附着力，减少了运动伪影。同时，微针与六边形微结构保障了皮肤排汗透气的需求，即使使用数十小时也不会引起明显的皮肤刺激。多机制协同的仿生电极设计为实现长效的健康监测提供了新思路和新途径。

相关研究成果以题为“Bionic Design and Performance of Electrode for Bioelectrical Signal Monitoring”发表在期刊《Advanced materials interfaces》上，并作为封底论文。第一作者为南京航空航天大学机电学院博士研究生袁聪，姬科举副研究员为本文通讯作者。南京航空航天大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、南京市医学科技发展基金、江苏省仿生功能材料重点实验室基金等项目的资助。

论文链接： Bionic Design and Performance of Electrode for Bioelectrical Signal Monitoring - Yuan - 2022 - Advanced Materials Interfaces - Wiley Online Library