生物医用电极的制造技术

【作者】：周伟, 刘伟, 邱清富, 刘瑞亮, 蒋乐伦, 宋嵘

【原文】：生物医用电极制造技术及应用研究进展

东莞市冠隆医疗科技有限公司（简称：冠隆医疗），是一家专业从事医用心电电极配件的研发、生产、销售和服务的科技企业。我们致力于生物电传感技术的研究与应用，提供医用可穿戴式心电电极配件与解决方案。

1.1 传统银/氯化银电极

传统银/氯化银(Ag/AgCl)电极是生物电检测技术中广泛使用的一种生物医用电极. Ag/AgCl电极一般是由电极芯、Ag/AgCl层、导电凝胶、无纺布等部件组成,. 一般而言, Ag/AgCl层通常采用电镀/电解等加工工艺形成, 生产工艺较为复杂. 在小电流通过电极的条件下, 可以将其视为非极化电极. 在Ag/AgCl电极研究中, 目前大部分主要集中在Ag/AgCl层制造技术、导电凝胶制备方法、电极性能评估等方面研究工作 . 美 国 Conmed和 3M公司在Ag/AgCl电极的设计与制造方面处于全球领先的地位, 开发出的Ag/AgCl电极具有电性能较为稳定、贴合方便、使用寿命较长等一系列优点. 但是, 该电极在国内销售的价格较为昂贵, 且为一次性使用性电极. 在国内研究方面, 中国船舶重工集团公司第七二五研究所利用热浸涂发制备Ag/AgCl电极, 并对其电极表面的形貌和成分分析, 获得最佳的电极结构, 使得电极具有良好的电位稳定性[4]. 浙江大学许佩新课题组开发出一种医用压敏导电胶代替常用的导电糊或凝胶, 并应用在Ag/AgCl电极, 该胶粘贴性好、对皮肤无刺激、不过敏、导电性能好, 而且不易干燥, 能长时间与皮肤保持良好接触[5].目前, 在生物电信号检测技术中, Ag/AgCl电极不仅能够在较低电流条件下将离子电流转换成电子电流, 且具有电信号基线稳定、抗干扰能力强、制造与使用较为方便、价格便宜、易于生产等优点, 在心电、脑电等测量中获得非常广泛的应用. 但是, 由于导电凝胶的存在, Ag/AgCl电极在使用过程中容易发生脱水干燥, 使得导电凝胶的电特性发生某些变化,不能够长期连续使用[6,7]. 正是由于导电凝胶的电阻抗不稳定性, 在高精度实验中容易引入较大的噪声和误差, 从而导致测量结果的不够精确. 另外, 在使用Ag/AgCl电极之前, 必须要对皮肤进行有效处理,尽可能擦除皮肤表面的角质层, 实验前需要一定的准备时间. 更为严重的是, 导电凝胶还有可能会引起皮肤过敏反应, 产生红肿等现象[8,9], 从而使得某些测量过程难以进行。

1.2 微针电极

微针技术一般是指通过微细制造方法在硅材料、金属、聚合物和玻璃等材料表面制造形成的阵列式微针结构. 一般而言, 单个微针结构的尺寸通常是直径为30~80 m, 长度100 m以上[10]. 目前, 由于微针技术可以使得生物医疗器件更为微型、精确、无痛、可靠、高效、便利等, 并在性能上具有常规方法所无可比拟的特性, 在生物医学测量系统、药物传输系统、微量采样分析系统等生物医学领域中已经开展了系统性的基础理论与应用研究[11,12]. 而微针电极是目前脑电采集技术中最普遍采用的干电极, 即采用针式电极直接穿透角质层的方式, 以克服角质层对脑电信号采集效果所带来的影响[13]. 微针电极设计要考虑到皮肤的分层结构, 需要刺穿角质层(厚度一般为10~15 m), 刺入导电表皮层(厚度一般为50~100 m), 以避开角质层的高阻抗特性, 同时还不能刺到真皮层(包括神经和血管)以避免对皮肤造成损伤, 从而导致疼痛和出血等现象. 因此, 微针刺入深度应该大于10~15 m, 小于50~100 m, 使其在角质层上产生一个无痛的电极-电解液界面, 并把活性细胞引起离子流转化成电子电流[10]. 与传统的Ag/AgCl生物电位电极比较, 微针电极往往不需要皮肤准备和电解凝胶, 使用较为方便可靠, 具有更小的阻抗,有较小的电化学噪声, 更有利于长期测量使用.在微针电极研究方面, 研究工作当前主要集中是以硅基材料, 采用化学刻蚀工艺、反应等离子刻蚀等加工形成微针结构, 电极-皮肤-电极阻抗测量和EEG记录证明微针电极在不需要皮肤准备和电解凝胶的前提条件下, 使用起来非常方便, 并可以完成低生物电位的高质量记录, 获得比标准电极更好的生物电采集性能[14,15]. 新加坡国立大学李小平课题组提出了一种利用真空铸造技术来制造新型微针电极的方法, 并对其电极的表面结构进行了微观分析与表征其表面微针结构, 如图2所示[16]. 制作的微针电极通过脑电采集实验证实其在阻抗特性、稳定性及采集效率方面表现出良好的性能. 比利时根特大学的研究人员利用3D打印技术实现微针电极的制造成形与批量加工, 通过与传统的Ag/AgCl 电极进行心电和脑电信号的对比分析, 取得了较好的测试效果[17].厦门大学周伟课题组最近也提出利用纳秒激光加工实现金属电极表面微结构阵列特征的高效加工, 并与传统心电电极的接触阻抗性能进行对比测试, 获得较为稳定的接触阻抗性能[18]。

1.3 纺织柔性电极

纺织柔性电极是利用纤维、针织布等导电纺织材料来设计制作的一种新型柔性生物医用干式电极,可以满足长时间穿戴和测量舒适性的要求. 近年来,随着患者对于医疗环境舒适性要求的不断提高, 迫切需求纺织柔性电极与现有的医疗检测器械进行完美结合, 从而使得多样化和多功能的新颖纺织柔性电极不断被开发与研究, 并已经成功应用在集成心电测量的衬衫[19]、可穿戴式多传感心率监测系统[20]、无接触式肌电传感器[21]等方面, 并取得了良好的测试与应用效果. 但是, 在测试使用过程中, 纺织柔性电极与人体皮肤接触时往往存在一定的空间和间隙,而这些空间和间隙里通常充满着一定数量的空气,这就相当于在电极与皮肤的接触阻抗中间增加了一个电容[22]. 因此, 阻抗测试结果表明纺织柔性电极的总阻抗往往要比传统电极和微针电极要大一些.如何设计新型电极结构、固定纺织电极、消除人体表面湿度影响、降低电极总阻抗是当前纺织柔性电极亟待解决的关键技术难题.在纺织柔性电极的研究工作方面, 当前主要是在新颖电极结构设计、新材料在纺织电极的应用、电极性能表征与评估等方面开展了一些初步的研究工作. 德 国Philips医学信息技术中心的Beckmann等人[22]利用不同的测试步骤对于纺织电极与皮肤的接触阻抗进行了测量, 系统研究了接触压力、湿度等因素对其性能的影响, 并对不同频率范围条件下的长期稳定性进行了测试与表征. 意大利比萨大学Scilingo等人[23]利用水凝胶膜(pH在3.5~9之间)设计了一种新型的纺织柔性电极, 可以大大减少电极与皮肤的敏感性, 并通过与3M临床医用电极和标准表面EMG电极进行对比, 在考虑呼吸和运动行为的前提条件下,对电极的性能进行了系统评估. 瑞典布罗斯大学研究学者利用不同的纺织柔性电极的进行生物电阻抗的测量, 实验结果表明将纺织电极在手部和脚部的测量应用中可以获得较为稳定的电阻抗谱特征。

1.4 柔性衬底电极

柔性衬底电极由于可以实现与人体组织, 特别是与皮肤的高度贴合, 并可以满足人体不同部位的穿戴要求, 应用范围非常广泛, 已成为当生物医用体表电极的重要研究方向. 目前, 可用于柔性衬底电极材料主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等[25,26]. 与PI和PET相比而言, PDMS柔性衬底材料由于具有更好的生物相容性、较低的杨氏模量, 并容易形成舒适的皮肤-电极界面的独特优势, 成为生物医用电极的柔性衬底的首选材料. 如Baek等人[9]通过在PDMS衬底材料表面沉积金属层制造加工形成电极, 在长期连续(7天)的心电监测过程中表现出较佳的性能特征. Chen等人[27]利用柔性衬底PDMS材料开发出一种采用单点接触方式的可穿戴式、无线的生物电采集装置, 并在心电信号的采集与利用取得较好的应用效果. 最近,Jung等人[28]设计了1种包含有2个输入电极和1个参考电极的基于PDMS衬底干式柔性表面肌电电极, 肌电信号测量结果表明该电极由于具有较好的精度和柔性结构, 易于提取出肌电信号实现假手运动的精确控制。

1.5 泡沫结构电极

为了消除人体运动过程对于生物电信号采集的影响, 研究者最近还提出一种基于泡沫多孔材料设计与制造出新型的泡沫结构软性电极. 在脑电信号的测量过程中, 这种泡沫结构电极还具有一个非常显著的应用优势, 可以避免皮肤上的毛发(尤其是头发)作用的影响, 并获得稳定的生理电信号与数据.Gruetzmann等人[29]在生物医用电极表面添加一层泡沫材料结构, 从而形成新型泡沫电极结构. 由于该泡沫结构电极具有良好的弹性和缓冲性能, 可以显著减少在运动过程中电极与皮肤的相对位移, 在心电测试结果表明其在减少运动干扰和减少电极与皮肤的接触阻抗方面具有明显优势. Lin等人[30]针对头皮的位置，设计出一种适宜于长期脑电测量的泡沫结构电极, 如图5所示. 该电极结构主要利用导电布覆盖着可导电聚合物泡沫结构所构成, 在脑电测量使用过程中, 不需要皮肤制备和导电凝胶, 具有良好的几何适应性, 并可以应用在不规则的头皮表面, 在运动过程中还可以获得较低的电极与皮肤的接触阻抗1.6 绝缘干电极绝缘干电极与上述电极的工作原理都不一样,绝缘干电极是利用很薄的绝缘膜把金属电极与人体隔开, 在人体和金属电极之间形成电容, 人体和电极片则分别为电容的2个极片, 中间的绝缘膜为电容器的中间介质, 生物电信号可以通过这一特殊的电容器耦合到缓冲放大器输入端, 实现对生物电位变化的测量[31]. 由于绝缘干电极的电极片不与导电膏或其他电解质接触, 无需电流直接接触人体, 从而避免了极化现象的发生. 但是, 由于耦合电容量级非常小, 需要超级大的输入阻抗放大器以及相关的无偏、检测和屏蔽技术, 同时受这种电极的频率响应的限制，该电极用于提取生物电信号的使用范围也将会受到限制. 近年来, 阿根廷科学家在综述绝缘干电极的研究与发展现状的基础上, 利用由标准双层印制电路板所组成的绝缘干电极, 通过厚度为350 mm棉布对心电信号进行测量，与传统的湿电极进行对比发现, 该干电极与湿电极获得的心电信号差别不大, 如图6所示[2].目前, 绝缘干电极在航空航天、水下作业、生物医学测量等领域的信号的检测中获得了广泛的应用。