用于可穿戴皮肤设备的高性能电极的材料特性和结构设计

可穿戴皮肤接触设备因其能够提供方便和安全的健康监测而得到广泛研究。控制其性能的一个关键方面是设备电极的性能。优化电极结构及其制造材料可以提高设备的功能性。

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国延世大学（Yonsei University）的研究人员在Communications Materials期刊上发表了题为“Material and structural considerations for high-performance electrodes for wearable skin devices”的综述文章，讨论了最佳电极性能所需的各种特性，包括机械、电气和生物相容性因素。研究人员考量了改变电极结构，开发柔性导电材料，以及创建混合结构。此外，文章提出了人工智能（AI）的集成是实现智能设备的一个有前途的方向。除了概述高性能可穿戴皮肤设备的基本特征外，研究人员还提供了对未来可能应用的见解。

可穿戴皮肤设备电极材料要求

可穿戴皮肤设备中采用的电极用于与皮肤相互作用，并捕获在此过程中产生的各种电信号。具体而言，皮肤具有各种特征，在设计电极时充分考虑这些特征至关重要。具有皮肤-电极界面的电极所需的特性可分为机械特性、电气特性和生物相容性。满足这三个方面的特性对于构建功能齐全的皮肤设备至关重要。

可穿戴皮肤设备电极的材料要求

机械性能是皮肤设备电极的最基本特性。由于皮肤的自由柔韧性，皮肤设备电极必须与皮肤很好地贴合并牢固地附着。首先，需要考虑的最重要的方面是可拉伸性；第二个考虑因素是粘附性，这对患者的舒适体验和稳定的生理监测至关重要。此外，与皮肤的适形性也很关键。

电极的电气特性是有效电刺激和分析电生理信号[包括肌电图（EMG）和脑电图（ECG）]的重要部分。典型的电气特性包括皮肤和电极之间相互作用的阻抗和信噪比（SNR）。

生物相容性被认为是皮肤电子设备确保安全应用于人体表皮的最重要标准。最近的研究趋势集中在导电材料与弹性材料的结合上，以克服许多皮肤上的情况，如身体运动引起的动态拉伸。研究人员介绍了新型生物相容性复合材料，以及降低生物相容性风险的替代策略。

生物相容性和其它特性

除了这些关键特性之外，可穿戴皮肤设备可能还需要基于其预期用途或特定情况的额外特性。虽然不是必不可少的，但这些特性有助于满足特定要求，如功能、外观和尺寸。研究人员阐述了透气性、透明度、尺寸和密度与皮肤设备的关系。

可穿戴皮肤设备材料的未来方向

可拉伸性是决定设备是否能够适应皮肤拉伸的关键因素。在设备中实现可拉伸性有两种主要策略：一种涉及材料创新，从一开始就使用柔性材料，结合可拉伸性的成本，或集成可拉伸材料；另一种涉及结构设计，即赋予不可拉伸材料独特的机械结构或修改材料结构以吸收施加于设备的应力和应变，从而防止材料失效并提高耐久性。研究人员探讨了可穿戴皮肤设备中使用的材料的未来方向，特别关注三个关键发展：（1）结构设计的创新，（2）柔性电极材料的进步，以及（3）混合材料的合成。

可穿戴皮肤设备的结构

用于可穿戴皮肤设备的柔性电极材料

可穿戴皮肤设备的应用前景

可穿戴皮肤设备技术的进步不仅体现在制造方面，还开创了潜在应用的新时代。研究人员对检测生物信号、电刺激和药物输送的传统方法进行了介绍。此外，文中还深入探讨了这些设备在混合系统中的创新应用，这些系统具有在单一设备内执行多种功能的能力。此外，人工智能的集成有望显著提高可穿戴皮肤设备的性能。通过利用机器学习和深度学习方法，这些设备可以通过人工神经网络处理信息，反映人类神经元的功能。这一技术进步为个性化智能可穿戴皮肤设备的未来铺平了道路。

可穿戴皮肤设备的应用

可穿戴皮肤设备中的电极必须符合机械、电气和生物相容性标准，以确保稳定运行、适合的皮肤接触和长期使用。具有非常高模量的传统金属电极难以承受皮肤运动，这促使了可拉伸结构电极的发展，如网状或交错设计。此外，在使用柔性材料制造可穿戴皮肤设备和混合材料方面也取得了进展。

这些材料具有优异的导电性、高透明度、机械可变形性、强大的柔韧性、化学稳定性、防潮性和光滑的表面。鉴于某些特性需要权衡取舍，从各种材料和结构角度对其进行分析至关重要。可穿戴皮肤设备的下一个研究阶段包括单独确定机械、电气和生物相容性要求，并根据预期用途增强电极的基本功能。

通过电极技术的创新、人工智能集成和混合功能的发展，可穿戴皮肤设备的未来有望取得重大进展，有望通过为健康监测和疾病治疗提供更方便、准确和多功能的工具，彻底改变医疗保健。此外，探索混合功能，将传感、刺激和药物输送集成到集成系统中，是一个令人兴奋的前沿领域。这种方法不仅简化了设备的使用，而且为单一设备的综合诊断、治疗和警报功能开辟了途径。

论文信息：
https://www.nature.com/articles/s43246-024-00490-8

审核编辑：刘清