无缝编织碳纳米管织物电极用于可穿戴生物传感

紧贴皮肤的可穿戴电子设备对于持续健康监测和人机交互应用非常有吸引力。通常使用的凝胶电极（例如Ag/AgCl）会使人体不适，不适合连续长期监测。北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）联合康奈尔大学（Cornell University）、美国空军生命周期管理中心（Air Force Life Cycle Management Center）以及美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）开发出可使用不同纺织工艺制造基于碳纳米管（CNT）电极的方法。他们提出了使用碳纳米管包裹纺织纱线（这些纱线高度贴合皮肤并测量高保真心电图（ECG）信号）的常规编织和辫状编织的电极设计。皮肤和电极接触的阻抗分析揭示了尺寸相关行为。为了证明该可穿戴电子设备卓越的耐用性，研究人员设计了一种无缝编织电极，可作为腕带佩戴。同时，他们设计的碳纳米管基干电极显示出创纪录的高信噪比，在运动伪影的影响下也非常稳定。电极的耐久性测试显示出其对洗涤的鲁棒性（可清洗），以及可重复、可持续使用的实用性。

利用碳纳米管包裹的棉和氨纶纱线，通过定制纺纱设备制造的电极如图1a所示。首先，研究人员将两个碳纳米管阵列安装在纺丝装置的上料区。芯棉和氨纶纱线穿过送料筒的内管。芯棉和芯纱插入内管的直径为0.5 cm，以适应多种纱线的纺织。为了确保顺利进纱，研究人员使用了弹簧张紧系统来控制张力。对准的碳纳米管薄片被引导通过放料筒上的导向器，并被致密化成带状。由于该碳纳米管带缺乏捻度，因此其纤维间的相互作用很低，导致强度低。然后将碳纳米管片缠绕在纱芯上，并在缠绕过程中引入捻度。经缠绕和扭转处理后，形成的芯鞘纱为圆柱形，并增加了纱线的填充密度。最后，在将纱线收集到线轴上之前，研究人员采用了1%的TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）粘合剂（图1b）。

图1 碳纳米管纱线和纺织品制造

不同电极的几何形状和表面特性如图2a~f所示。机织物（图2a）包含纬纱方向（水平）的碳纳米管-棉-TPU纱线和经纱方向（垂直）的棉纱。织物电极具有良好的尺寸稳定性，并且结构的非弹性不会改变张力下的电阻。虽然编织电极可能适合于人体放松情况或低强度运动条件，但他不是身体运动强度较大条件的优选电极结构。此外，由于罗纹结构在应力作用下的稳定性相对较好，因此其相较针织结构，能更好地防止运动伪影。根据剪切和弯曲刚度，其舒适和耐用性的优劣顺序为平针编织优于常规编制结构，而常规编制又优于辫状编织结构。与其它报道的碳纳米管-纱线心电图电极相比，该纱线和织物电极都显示出更高的延展性。

图2 碳纳米管纺织电极的形态和电特性

阻抗测量中使用的电极位置如图3a所示。从手臂上收集的皮肤和电极之间的界面阻抗如图3b所示。电极阻抗根据电极设计和尺寸而变化。所有使用的织物电极都是腕带的形式。与常规编织和平针编织结构相比，辫状编织结构具有相对较低的皮肤电极阻抗。常规编织电极和辫状编织电极都显示了电极尺寸和阻抗之间的直接关系，皮肤电极阻抗随着电极尺寸的增加而降低（图3c和3d）。在编织电极的情况下，由于常规编织电极包含绝缘棉纱，增大尺寸会略微降低阻抗。相反，织物电极与皮肤接触的导电材料的量之间存在相关性。此外，接触压力还影响皮肤电极阻抗。与常规编织电极不同，辫状编织电极包含所有碳纳米管纱线，并显示出电极尺寸和阻抗之间的直接相关性（图3d）。

图3 碳纳米管纺织电极的阻抗分析

平针编织面料更柔韧，更贴合身体，这也是它们被常用于运动服和紧身衣的原因。因此，研究人员预计平针编织电极性能优于常规编织电极。电极的信噪比（SNR）如图4g和4h所示，研究人员将其与商用电极进行了比较。电极的信噪比受电极尺寸、设计和制造方法的影响很大。信噪比随常规编织电极尺寸的增大而减小，而随辫状编织电极尺寸的增大而增大。这是由于每单位的活性电极面积的变化引起的。尽管辫状编织层1与编织层3相比电阻更高，但编织层3的高孔隙率可能会降低信噪比。然而，低电阻并不是电极在心电图信号记录过程中表现更好的唯一标准，并且心电图信号是否仅取决于低皮肤电极阻抗尚不清楚。

在人体三种不同的运动条件下（分别为以2英里/小时的速度行走，以4英里/小时速度慢跑以及以6英里/小时的速度奔跑）采集的电极心电图记录如图4d~f所示。峰值形状的差异是因为测量期间电极的方向（导线与试样的连接方式）不同导致的。在人体步行和慢跑状态下，心电图波形是可区分的。然而，人体随着运动强度的增加，心电图信号中会出现噪声。基线漂移主要是由于接触不稳定造成的，因为独立式辫状编织1和针织腕带是在低接触压力下佩戴在手臂上的。另一方面，使用常规编制3的压力带，观察到了相对稳定的基线。而基线漂移的轻微变化是由于呼吸导致的。与辫状编织1相比，常规编制3和针织腕带抗运动伪影稳定性更高。

图4 碳纳米管织物电极的心电图传感性能

综上所述，研究人员通过商业纺织品制造工艺生产了多种织物结构，为干式心电图电极提供了全面的解决方案。他们首先通过将碳纳米管分别包裹在棉纱和氨纶纱线上，以芯鞘结构开发了一种可纺织加工的导电纱线。棉纱因其柔软性、生物降解性、透气性和低成本特性，成为最常用的纺织纤维。氨纶芯赋予纱线高拉伸性，与织物结构相结合，使其具备与皮肤超贴合的特性，并能防止变形引起的运动伪影。本文介绍了三种不同的织物结构：平针编织、常规编织和辫状编织。每种结构都具备独特的拉伸和舒适特性，并允许针对不同的应用场景调整属性。例如，用于日常室内使用的织物电极可以设计为低拉伸性，而用于体育活动的电极可设计为高延展性。该织物电极不需要粘合剂或支撑结构来收集可靠的心电图数据，并且可以像常规的基于织物的设备一样佩戴和清洗，无需封装。研究人员证明，在静态和动态条件下，基于织物的电极与标准的商用Ag/AgCl（银和氯化银）电极记录了类似的心电图信号（具有相似的信噪比）。

审核编辑：郭婷