Biosens. Bioelectron. | 非牛顿流体液态金属电极用于电生理测量

以下文章来源于液态金属FM ，作者Jin & Open AI

生物电信号的测量对于心脏、肌肉和神经系统等相关疾病的诊断至关重要。为了获得高质量的电生理信号，通常需要在电极和皮肤之间使用导电水凝胶。然而，在使用过程中，导电水凝胶会随时间推移干燥，降低与皮肤的接触和粘附，从而影响生物电信号的质量和可靠性。近日，伯明翰大学唐诗杨和悉尼大学Omid Kavehei等团队报道了一种剪切稀化的非共晶镓铟合金非牛顿流体（50 wt% Ga和50 wt% In, Ga50In50），用于高性能柔性生物电极的制备。Ga50In50在静止时具有高粘度，在剪切时能够流动，这样既避免了电极材料泄漏的问题，又能够实现电极的简单高效制备。此外，Ga50In50不仅具有良好的生物相容性，还能提供优异的皮肤-电极界面，从而实现高质量电生理信号的长期采集。与商业水凝胶电极和干式电极的对比实验结果表明，Ga50In50电极在心电、肌电和脑电等不同类型的电生理信号测量中都表现出了更高的信噪比、更低的运动伪差和更稳定的皮肤-电极阻抗。最后，作者结合机器学习技术，利用EMG信号成功实现了手势识别。相关工作以“A Non-Newtonian liquid metal enabled enhanced electrography”为题发表在《Biosensors and Bioelectronics》。

图1. (a) Ga50In50的制备过程。(b) 流动性对比：Ga50In50作为一种非牛顿流体，在静止时具有高粘度，在剪切时又可以流动。(c) Ga50In50电极制备过程示意图。(d-f) 水凝胶、Ga50In50和铜电极实物图以及与皮肤接触示意图。

图2. Ga50In50电极的生物相容性测试。(a，b) 在小鼠身上使用Ga50In50电极和标准水凝胶电极进行皮肤刺激测试，与Ga50In50电极接触的皮肤在附着3天后未出现炎症或刺激。(c) MEF细胞在加入和不加入Ga50In50（对照）培养24小时后的荧光表征。(d) 移除Ga50In50电极（W0）并擦拭1-4次（W1-W4）的猪腹皮肤图像。(e)擦拭和用肥皂清洗后Ga和In的残留浓度。

图3. 电极性能表征。(a) 水凝胶、EGaIn和Ga50In50的粘度与剪切速率关系表征。(b) 皮肤-电极界面等效电路。（c）铜、水凝胶和Ga50In50电极的频率与阻抗数据拟合曲线。(d-f)Ga50In50、水凝胶和铜电极的串联电阻、界面电阻和界面电容比较。(g) 短期（3小时）和 (h) 长期（3天）实验中水凝胶和Ga50In50电极的频率与阻抗曲线。(i) Ga50In50材料的回收过程。

图4. 与商业水凝胶电极和干式电极相比，Ga50In50电极在ECG和EEG电生理信号测量中都展现出了更优异的信号质量。

图5. Ga50In50电极和水凝胶电极EMG测量对比。（a-b）Ga50In50电极和（c-d）水凝胶电极从两个通道获得的开合手手势EMG信号。（e-f）双通道水凝胶和Ga50In50电极的信噪比比较。（g）用于信号分类的双层神经网络结构。（h）Ga50In50双极电极顶视图。（i）通过双极Ga50In50电极获得的开合手手势的EMG信号。（j）双极和单极Ga50In50电极信噪比比较。

文章信息：

Timosina V, Cole T, Lu H, et al. A Non-Newtonian liquid metal enabled enhanced electrography[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2023: 115414.

https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115414

转自：“NANO学术”微信公众号

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