Гибкие и долговечные биоэлектроды: будущее носимых медицинских устройств
Носимые электронные устройства для непрерывного мониторинга биосигналов стали прорывом в здравоохранении и фитнес-индустрии. Рынок таких устройств быстро растёт и, по прогнозам, достигнет примерно 572,06 млрд долларов США к 2033 году.
Этот рост создаёт спрос на высококачественные биоэлектроды для точной долгосрочной регистрации сигналов. Однако современные материалы (металлы, проводящие полимеры, гидрогели) имеют недостатки: они часто недостаточно гибки, чтобы растягиваться вместе с кожей, и обладают низкой паропроницаемостью, что приводит к накоплению пота и дискомфорту.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под руководством доцента Тацухиро Хории и адъюнкт-профессора Тошинори Фудзи из Токийского технологического института разработала новый материал для биоэлектродов. Результаты опубликованы в журнале NPG Asia Materials 20 июня 2024 года.
Материал является растяжимым, паропроницаемым и плотно прилегает к коже. Он состоит из слоёв проводящих волокнистых сеток из однослойных углеродных нанотрубок (SWCNTs), нанесённых на растяжимую наноплёнку из поли(стирол-b-бутадиен-b-стирола) (SBS). Наноплёнка обеспечивает плотный контакт с кожей для точных измерений, а сетка из нанотрубок сохраняет растяжимость и паропроницаемость.
«Для естественной деформации кожи без ограничения движений тела требуются самонесущие электроды, которые являются растяжимыми, паропроницаемыми и способными повторять неровности поверхности кожи», — говорит Хории.
Исследователи наносили водные дисперсии SWCNTs на SBS-наноплёнки, создавая многослойные структуры толщиной всего 431 нм. Каждый слой SWCNTs увеличивал плотность и толщину волокон, меняя свойства электрода. Добавление слоёв повышало жёсткость наноплёнки (модуль упругости вырос с исходных 48,5 МПа до 60,8 МПа для одного слоя и 104,2 МПа для пяти слоёв), но биоэлектрод сохранял впечатляющую гибкость.
Чистые SBS-наноплёнки и плёнки с одним или тремя слоями SWCNTs (SWCNT 3rd-SBS) эластично растягивались на 380% от исходной длины до необратимой деформации. Это превосходит металлические электроды (например, золотые), модуль Юнга которых составляет сотни ГПа, а максимальное растяжение перед разрывом — менее 30%.
Ещё одно ключевое требование — высокая паропроницаемость для предотвращения накопления пота. Волокнистая структура сети SWCNTs улучшает «дышащие» свойства по сравнению со сплошными плёнками. В экспериментах скорость пропускания водяного пара (WVTR) для материала SWCNT 3rd-SBS составила 28 316 г·м-2·(2 ч)-1, что в два раза выше, чем у нормальной кожи.
Материал также показал высокую устойчивость к длительному использованию. При испытаниях на долговечность биоэлектроды погружали в искусственный пот и многократно сгибали, измеряя изменение сопротивления.
Сопротивление увеличилось незначительно: в 1,1 раза в поту и в 1,3 раза после 300 циклов сгибания. Кроме того, наноплёнки SWCNT 3rd-SBS практически не отслаивались после десятикратного трения, что подтверждает пригодность для длительного ношения.
Для оценки работы в реальных условиях материал (SBS-наноплёнка с тремя слоями SWCNT) сравнили с коммерческими биоэлектродами, например, Ag/AgCl гелевыми. Электроды закрепляли на предплечье и проводили поверхностную электромиографию (sEMG) во время сжатия руки.
В этом эксперименте производительность наноплёнки SWCNT-SBS была сопоставима с коммерческими Ag/AgCl гелевыми электродами, демонстрируя схожие отношения сигнал/шум: 24,6 дБ и 33,3 дБ соответственно.
«Мы получили биоэлектроды, плотно прилегающие к коже с высокой паропроницаемостью, которые показали в измерениях sEMG производительность, сравнимую с обычными электродами», — заключает Фудзи, подчёркивая перспективность материала для носимых медицинских устройств.