来源：ACS美国化学会
英文原题：A Bioinspired, Durable, and Nondisposable Transparent Graphene Skin Electrode for Electrophysiological Signal Detection
作者：Jiakang Qiu (邱家康), Tianhao Yu (喻天豪), Weifeng Zhang (张巍锋), Zihan Zhao(赵子涵）, Yan Zhang (张岩), Guo Ye (叶国), Yan Zhao (赵艳), Xiaojia Du (杜筱佳), Xu Liu (柳絮), Lu Yang (杨露), Lijuan Zhang (张丽娟), Shuyan Qi (戚淑燕), Qishuo Tan (谭其硕), Xinyu Guo (郭心宇), Guanmeng Li (李官勐), Shaoshi Guo (郭少师), Huiyuan Sun (孙会元), Di Wei (魏迪) and Nan Liu (刘楠)
用于电生理信号监测的皮肤电极是可穿戴医疗器件的重要组成部分，它能够跟随皮肤运动而保持功能完整性和穿戴舒适性，在体育科学、人机智能交互、健康监护、医疗康复等领域具有重要的意义。由于皮肤电极会受到反复和长期的机械应力，因此迫切需要一种坚固耐用的皮肤传感器，以便可靠地在不同情况下测量患者的重要电生理指标。石墨烯作为世界上已知的最薄的二维材料，集优异的透光性、导电性、电化学稳定性等特点于一身，是制备皮肤电极的理想选择。然而石墨烯用于电生理信号检测电极的探索却备受耐久性不足问题的困扰，石墨烯与皮肤紧密接触易发生断裂破损，导致无法重复使用，严重制约了该领域的发展。基于此背景，北京师范大学化学学院、北京石墨烯研究院刘楠教授率领石墨烯电生理检测团队，提出了一种鸟巢结构石墨烯皮肤电极设计的新思路。如图1所示，为模拟鸟巢结构，将石墨化的静电纺丝纤维/单层石墨烯半包覆于弹性高分子基底中，形成了类鸟巢的半嵌入式结构。石墨烯纤维和单层石墨烯之间的相互作用增强了该电极(简称：GFG)的导电性和物理结构的整体性。
为了充分理解石墨烯电生理电极重复使用的原理，本工作进行了反复剥离测试并比较了不同电极组成下电极形貌和电化学阻抗的变化(图2)，发现当石墨烯纤维与单层石墨烯协同作用后，不但可以增加导电性，在电极应变过程中保持完整性，也增加了电极重复收集人体皮肤表面生物电信号的能力。
该半嵌入式石墨烯电极可以作为结构稳定、反复使用的皮肤电极。如图3所示，其所获得的信号可与商业凝胶电极所获得的信号质量相当，SNR高达30 dB，可以使用多达9次。相反的，没有经过石墨烯纤维辅助嵌入弹性体的电极显示基线噪声随使用次数急剧增加，五次重复测试后电极结构受损，并且观察到信号质量显著下降。此外，该工作也探索了该嵌入式石墨烯电极水下搅拌使用时电生理信号的稳定性。使用磁力搅拌器(250 rpm，15分钟)在水中漂洗电极后，嵌入式石墨烯电极测量的五次电生理信号质量几乎相同。如此优异的耐久性得益于电极的结构设计，保证了其机械结构的完整性和导电性。并且由红外图像可知，佩戴该石墨烯电极并不会使皮肤表面集聚过多的热量。
此工作经过合理的仿生结构设计，证实了石墨烯在实际人体电生理信号检测中的优异性能，实现了高性能、结构稳固的人体贴肤电信号传感器。未来，石墨烯用于电生理信号检测还有很大的研究空间，北京石墨烯研究院电生理课题组将对这一领域持续深入研发，展现该材料在可穿戴医疗中的广阔前景。
来源：gh_0320d0d498b4 ACS美国化学会
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