灵活耐用的生物电极：医疗保健可穿戴设备的未来

可穿戴电子设备可以持续监测生物信号，这种设备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 年其市场价值将达到约 5720.6 亿美元。

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。它们通常缺乏弹性，无法在不断裂的情况下拉伸皮肤，并且湿度渗透性低，导致汗液积聚和不适。

为了解决这些限制，在 2024 年 6 月 20 日发表在《NPG Asia Materials》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可拉伸、可渗透湿度并与皮肤紧密贴合的生物电极材料。

这种创新材料由多层导电纤维网络组成，这些网络由可拉伸的聚(苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯)(SBS)纳米片上的单壁碳纳米管(SWCNT)组成。纳米片与皮肤紧密贴合，可进行精确的生物信号测量，而碳纳米管纤维则保持了材料的可拉伸性和湿度渗透性。

Horii 说：“需要具有可拉伸性、可渗透湿气并能贴合皮肤表面凸起的自支撑电极，以允许皮肤自然变形而不限制身体运动。”

研究人员将 SWCNT 作为水分散体涂在 SBS 纳米片上，形成厚度仅为 431 nm 的多层。每涂一层 SWCNT 都会增加纤维的密度和厚度，从而改变生物电极的特性。虽然添加更多 SWCNT 层会增加纳米片的刚度(单层的弹性模量从最初的 48.5 MPa增加到 60.8 MPa，五层的弹性模量增加到 104.2 MPa)，但生物电极仍保持了令人印象深刻的柔韧性。

原始 SBS 纳米片和具有一层或三层 SWCNT(SWCNT 3rd-SBS)的纳米片在永久变形之前可弹性拉伸至其原始长度的 380%。这种灵活性超越了金等金属电极，后者的杨氏模量在几百 GPa 范围内，在断裂前只能拉伸至其原始长度的不到 30%