结合单壁碳纳米管和聚(苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯)纳米片，东京工业大学的研究人员开发了一种用于可穿戴设备的新型生物电极材料。这种创新的材料具有可拉伸性，透湿性，与皮肤紧密贴合，适合长时间使用。这一发展解决了当前生物电极材料的关键局限性，为医疗保健和健身应用提供了更舒适、更有效的可穿戴设备。
持续监测生物信号的可穿戴电子设备的使用已经改变了医疗保健和健身行业。这些设备正变得越来越普遍，预计到2033年将达到约5720.6亿美元的市场估值。随着这种快速增长，对能够长时间准确记录生物信号的高质量生物电极的需求不断增加。然而，目前用于生物电极的许多材料，如金属、导电聚合物和水凝胶，都有局限性。它们通常缺乏伸展皮肤而不破裂的灵活性，而且透湿性低，导致汗水积聚和不适。
为了解决这些限制，在2024年6月20日发表在《NPG亚洲材料》杂志上的一项研究中，由东京工业大学(Tokyo Tech)助理教授Tatsuhiro Horii和副教授Toshinori Fujie领导的研究小组开发了一种生物电极材料，该材料具有可拉伸性和透湿性，并且与皮肤紧密贴合。这种创新材料是由可拉伸的聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)纳米片上的单壁碳纳米管(SWCNTs)组成的导电纤维网络层组成的。纳米片与皮肤紧密贴合，允许精确的生物信号测量，而碳纳米管纤维保持材料的拉伸性和透湿性。
Horii说:“需要可拉伸、可渗透、适应皮肤表面颠簸的自支撑电极，以便在不限制身体运动的情况下允许皮肤自然变形。”
研究人员将SWCNTs作为水分散体应用到SBS纳米片上，形成了厚度仅为431 nm的多层。每一层SWCNTs都增加了纤维的密度和厚度，改变了生物电极的特性。增加更多的swcnts层增加了纳米片的刚度(从最初的48.5 MPa弹性模量到单层的60.8 MPa和五层的104.2 MPa)，生物电极保持了令人印象深刻的灵活性。原始SBS纳米片和具有一层或三层SWCNTs (SWCNTs -SBS)的纳米片在永久变形之前可弹性拉伸原始长度的380%。这种灵活性超过了像金这样的金属电极，后者的杨氏模量在几百gpa范围内，在断裂之前只能拉伸不到原始长度的30%。
生物电极的另一个关键要求是高水蒸气渗透性，以防止运动时出汗。添加SWCNTs是有益的，因为与连续膜相比，其纤维网络结构提高了透气性。在测量水蒸气透过率(WVTR)的实验中，研究人员发现SWCNT 3 - sbs的水蒸气透过率为28,316 g m-2 (2 h)-1，是正常皮肤的两倍。
这种生物电极材料也具有很高的弹性，可以长期使用。为了测试材料的耐久性，研究人员将生物电极浸入人工汗液中，并使其反复弯曲，测量电阻的变化。在这些测试中，他们发现阻力的增加可以忽略不计，在出汗时仅增加1.1倍，在300次弯曲时增加1.3倍。此外，swcnts - sbs纳米片在摩擦10次后几乎没有脱落，表明其适合长期使用。
为了评估其实际性能，研究人员将具有三层swcnts的SBS纳米片与商业上可用的生物电极材料(如Ag/AgCl凝胶电极)进行了比较。生物电极附着在前臂上，并在抓取动作时进行表面肌电图(sEMG)测量。在本实验中，swcnts - sbs纳米片的性能与商用Ag/AgCl凝胶电极相当，信噪比分别为24.6 dB和33.3 dB。
“我们获得了符合皮肤的生物电极，具有高水蒸气渗透率，在肌电图测量中显示出与传统电极相当的性能，”Fujie总结道，强调了该材料在医疗可穿戴设备上的前景。
参考
作者:堀井达宏 1山下凯 1——伊藤理雄 1——冈田圭 1Toshinori Fujie 1,2*标题:超薄皮肤 由单壁碳纳米管网络组装在弹性体薄膜上的具有高水蒸气渗透性和拉伸特性的可变形电极。学报:NPG Asia Materials DOI: 10.1038/s41427-024-00553-91日本东京工业大学生命科学与技术学院
2东京工业大学创新研究所自主系统材料研究中心，日本
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