【科研进展】生仪学院叶学松教授、梁波副研究员课题组与医学院蔡秀军教授课题组合作在《BIOSENSORS & BIOELECTRONICS》发表论文

近日，浙江大学生仪学院叶学松教授、梁波副研究员课题组与医学院蔡秀军教授课题组交叉培养李天瑜博士在BIOSENSORS & BIOELECTRONICS (IF: 10.618)上发表了题为 “An integrated and conductive hydrogel-paper patch for simultaneous sensing of Chemical–Electrophysiological signals” （https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113855）的研究论文。文章开发了一种高度集成、柔性的可穿戴设备，用于运动过程中生理和生化信号的同步监测。

该论文主要研究内容如下：

人体在运动过程中会经历复杂的生理生化信号变化。追踪这些指标可以提供与人体健康相关的实时数据。这些设备需要持续实时监控，具有高集成度、灵活性等一系列优点。之前报道的集成装置能够跟踪生化分析物和生理信号，但仍存在许多问题需要解决。在此，我们设计了一种多功能和柔性的导电水凝胶-纸贴片（HPP），它能在运动中同时实时监测这两种信号（图1）。高孔隙率的PEDOT:PSS水凝胶在纸纤维上的自组装使HPP具有良好的导电性和良好的水润湿性，以实现高效的电子传输和物质扩散，从而使其能够作为一个低阻抗的心电电极和高灵敏的葡萄糖传感器。同时，自发的毛细效应使纸片可以作为微流体通道用于捕获和分析汗液。此外，HPP与柔性印刷电路板（FPCB）的集成和人体实验验证了柔性、低成本和多功能设备作为电生理和生物化学信号的同步监测的可行性。 

图1. 导电水凝胶-纸贴片的设计原理、组装和应用

文章首先探究了PEDOT:PSS凝胶负载于纸纤维的形成过程并对其进行表征，验证其具备良好的导电性、长期的稳定性，来说明导电纸凝胶具备作为柔性电极的基本特征。接着文章从生理检测、生化检测、汗液流道三个方面来验证贴片性能。生理检测部分对比商业电极，发现在心电信号的频率（0.5-100Hz）条件下，HPP的阻抗更低且稳定。使用相同的放大电路和相同的位置进行的心电信号检测也表明，HPP的测量结果与商用心电电极相似。生化检测方面，用葡萄糖氧化酶修饰后的HPP，传感器的灵敏度可以达到325.99± 0.8μA·mM^-1·cm^-2，灵敏度优于许多汗液葡萄糖检测研究。长时间稳定性、长期稳定性，抗干扰性的实验证明该电极具备能在长时间运动中保持测试的稳定。纸基汗液流道部分，我们模拟汗液流动过程，结果显示后进入通道的红墨水可以通过毛细效应推动通道内已有的墨水流动，说明纸基微流体装置的流通性具备实时采集汗液的要求。最后，我们将HPP与柔性印刷电路板（FPCB）的集成为测试器件，贴于志愿者体表进行运动测试（图2），在体运动数据论证我们的HPP可穿戴设备能实现运动中的生理生化参数实时监测。

图2. HPP电路模块及在体运动测试数据

 参考文献：https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113855