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Eletrodo seco flexível e usable · Sistema de monitoramento bioelétrico a longo prazo
Na sala de exame ECG do hospital, eletrodo húmido Ag/AgCl combinado com gel condutivo para coletar sinais ECG - claro e estável, que é reconhecido como o clínico "padrão de ouro". Mas quando esse padrão foi transplantado para dispositivos portadores, problemas começaram a surgir: gel secava com o tempo, impedência de contato aumentava, e qualidade do sinal continuava a diminuir; Os ingredientes do gel podem causar irritação cutânea ou mesmo alergia; O eletrodo não pode ser reutilizado e não é adequado para uso diário.
As limitações dos eletrodos húmidos são particularmente prominentes em cenários que requerem monitoramento contínuo por horas ou até dias. O que o equipamento de monitoramento da saúde usable precisa é de um eletrodo que "se pega sem tubos" - nenhum gel condutivo, nenhuma estimulação, pode ser usado por um longo tempo, e pode ser reutilizado.
Proposta fundamental:Eletrodos secos flexíveis usados estão se tornando a resposta a essa demanda.
Eletrodos flexíveis usados são um tipo de dispositivo de aquisição de sinais bioelétricos baseado em materiais flexíveis de polímeros e construídos com camadas funcionais condutivas através de revestimento de precisão ou processos materiais compostos. Pode manter propriedades elétricas estáveis e integridade estrutural sob deformações complex as como dobramento, estiramento e dobramento.
Um eletrodo típico flexível usado é composto por três partes:
PI, PET, PEN, PDMS, TPU, etc. fornecem suporte mecânico e adesão cutânea.
Captura de metal (ouro/platino/Ag/AgCl), material baseado em carbono ou polímero condutivo, responsável pela aquisição de sinais.
Usado para reduzir mais impedência de contato ou melhorar a biocompatibilidade.
O valor central dos eletrodos secos flexíveis reside na solução dos três maiores defeitos congênitos de eletrodos húmidos:
O eletrodo seca contata diretamente com a pele, não depende do gel condutivo, e a qualidade do sinal não se declina com o tempo.
Não há necessidade de gel químico e adesivos, reduzindo o risco de alergia cutânea e inflamação.
Pode ser limpa e reutilizada repetidamente, reduzindo significativamente os custos de uso a longo prazo.
Qualidade do sinal:A correlação entre sinais ECG coletados por eletrodos de grafeno impresso e eletrodos comerciais Ag/AgCl atingiu 99,34%. Na monitorização portadora de ECG, a qualidade do sinal gerada por eletrodo seco flexível é equivalente à de eletrodo de gel.
O desempenho de eletrodos flexíveis vestíveis está radicado na seleção de seus materiais condutivos. O sistema actual de materiais principais abrange três categorias: polímeros baseados em carbono, em metal e condutivos:
Alta condutividade e flexibilidade mecânica. A condutividade do eletrodo composto CNT é de 20 S/cm, e a degradação do desempenho elétrico durante a deformação é mínima. A razão sinal-ruído de eletrodo de grafeno induzido por laser atinge 48,659dB.
Excelente condutividade e flexibilidade, o eletrodo composto atinge um bom desempenho em tensão ao mesmo tempo que mantém alta condutividade.
Ouro (resistência 2,44 μ Ω· cm), platino (1,65 μ Ω· cm), Ag/AgCl. Eletrodos com placa de ouro têm baixa impedância nos substratos PI e são adequados para aplicações portavelhas.
Polímero condutivo:PEDOT: PSS combina processabilidade de solução e biocompatibilidade, e pode ser diretamente padronizado em substratos flexíveis para preparação de eletrodos através da impressão de jet de tinta e outros métodos.
A estensibilidade do próprio material é limitada. O design estrutural é igualmente crucial para manter contato estável entre o eletrodo e a pele durante o movimento dinâmico.
O design geométrico de vento absorve tensão através da deformação no plano durante o estiramento. A estrutura de relação negativa otimizada de Poisson pode reduzir o estresse de tensão e o estresse de dobramento em 67% e 71%, respectivamente.
Componentes rígidos são distribuídos na "ilha" e conectados por "pontes esticáveis", com deformação concentrada na estrutura da ponte.
PDMS, TPU e outros materiais fornecem o eletrodo com extensibilidade intrínseca, com uma taxa de estiramento de até 140% -300% e mais de 50000 ciclos de dobramento sem fracasso.
O eletrodo seca MWCNT-PDMS tem uma resistência de aproximadamente 490,75k Ω a 10Hz, enquanto o eletrodo do dedo ouro grafeno tem uma resistência tão baixa como 20,8 Ω na pele seca.
Eletrodo de grafeno induzido pelo laser a 48,659dB; eletrodo flexível otimizado a um máximo de 34,9dB.
A resistência à dobra estática R3,5 mm aumenta apenas em 5%; 100 mudanças de resistência de dobramento<7%; Após 30000 ciclos, a resistência permanece estável. <>
A taxa de estiramento é de 140% -300%, e a atenuação do desempenho elétrico durante a deformação é mínima, sem desvio significativo.
| métricas de desempenho | valor típico | Referência |
|---|---|---|
| Impedança de contato (10Hz) | 490,75±71,57kΩ MWCNT-PDMS） | — |
| Impedança baixa da interface | 20,8 Ω (eletrodo de ouro de grafeno) | — |
| Relatório de sinal ao ruído (SNR) | 48,659dB (grafeno induzido por laser); 34,9dB (eletrodo otimizado) | — |
| taxa de elongação | 140% (materiais parciais); 300% (eletrodo linear) | — |
| Ciclo de inclinação | Mais de 50000 vezes sem falhas | — |
| Resistência quadrada (eletrodo transparente esticável) | ~ 25Ω/□ | — |
A área com maior uso. Integrado em relógios e parches inteligentes, coleta em tempo real de sinais como ECG/EMG, combinada com análise do suor para detectar glicose, lactato, etc. O tamanho mundial do mercado de dispositivos médicos usados ultrapassa 68 bilhões de dólares americanos em 2025.
Eletrodos flexíveis do sEMG desempenham um papel crucial na avaliação da reabilitação, monitoramento do movimento e controle prótese, adaptando-se a formas portavelhas como os pulsos e os parches.
Eletrodos flexíveis se tornaram componentes essenciais da BCI, e o tamanho do mercado global de eletrodos neurais flexíveis espera alcançar 1,87 bilhões de dólares americanos em 2025, com um avanço projetado de 8,23 bilhões de dólares americanos em 2030.
Pele eletrônica e interação humano-computador:Eletrodos flexíveis usados também podem ser integrados na pele eletrônica e outros sistemas para cenários como interação humano-computador e monitoramento emocional.
Advanced Institute (Shenzhen) Technology Co., Ltd. foi criada em 2016 e é uma empresa nacional de alta tecnologia especializada em revestimento flexível de substratos, materiais de escudo, materiais absorventes e pastas de metal precioso. A empresa construiu independentemente uma linha de produção de vaporação de magnetrons e de evaporação de vácuo, usando rolo para rolar tecnologia de produção contínua, que pode continuamente depositar camadas de metal na superfície de filmes de polímeros flexíveis.
Em resposta aos requisitos específicos de eletrodos flexíveis vestíveis, a Tecnologia do Instituto Avançado fornece as seguintes capacidades essenciais:
FEP, PI, PET, LCP, PPS, PEN, PP, PDMS, TPU e outros materiais elásticos.
Uma gama completa de revestimentos metálicos incluindo ouro, prata, cobre, alumínio, lata, níquel, titânio, platina, etc.
Processos compostos como esputação de magnetrons, evaporação de vácuo e eletroplatação de pulso.
Activação pré-tratamento em plasma, design de revestimento gradiente, cobertura de ouro livre de ciano.
Controlo da espessura de nível nano (vários nanômetros a várias centenas de nanômetros), adesão de nível 5B, certificação ISO9001.
A essência de eletrodos flexíveis portables é estabelecer um canal de sinal estável, baixo ruído e biológicamente amigável entre dispositivos eletrônicos rígidos e tecidos biológicos suaves. Usa um substrato flexível para corresponder às propriedades mecânicas da pele, uma camada condutiva de baixa impedância para assegurar qualidade do sinal, e um projeto estrutural para "guiar" a tensão de movimento da camada funcional - os três trabalham juntos para responder a uma questão de engenharia central: como fazer os dispositivos eletrônicos tão suaves como a pele enquanto também entender a linguagem do corpo.
Desde monitorização do eletrocardiograma até interfaces de computador cerebral, da reabilitação do exercício até interação humano-computador - eletrodos flexíveis portadores estão trazendo a coleta de sinais bioelétricos de hospitais para casas, de estático para dinâmico, e de "pegar" para "crescer". Nesta evolução tecnológica, a seleção de materiais, o design estrutural e os processos de revestimento de precisão sempre foram as variáveis essenciais que determinam o limite superior do desempenho de eletrodos.
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