[Sci. Adv.] 具有汗液增强导电性的可印刷弹性电极
通讯作者：Pooi See Lee
通讯单位：新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院
功能材料、力学和设备设计的创新激发了可穿戴设备的迅猛发展，包括传感、信号传输和电源。可穿戴设备的关键部件是柔软的功能电极和导电线。可穿戴电极与身体运动、体热或生物流体之间的相互作用可用于实现实时生理信号传感、人机交互、药物输送或生物能量收集。然而，大多数研究集中在功能电极的通用设计上，很少研究生物流体对导电布线的影响。
在各种柔性/可拉伸导体中，基于纳米/微米银薄片的电极因其高导电性、稳定性和可扩展的可制造性而广泛用于导电纺织品、印刷柔性/可拉伸电子产品和微电子封装。通常，汗液对Ag电极的影响一直被认为是对电极电导率的恶化影响，因为在盐水溶液存在下，大块金属的腐蚀行为会增强。
基于此，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院Pooi See Lee教授展示了一个通过人类出汗行为来增强导电性的可拉伸银电极。可拉伸电极是通过将导电填料Ag薄片和按比例设计的弹性粘合剂亲水性聚（氨基甲酸酯-丙烯酸酯）（HPUA）组成的油墨直接印刷在亲水性纺织品上来制造的。HPUA弹性粘合剂的高拉伸性和良好的亲水性分别归因于合理控制的硬-软域的存在和氨基甲酸酯-丙烯酸酯（C=C）基团的存在。在汗液存在下，Cl-和酸性环境协同作用去除Ag薄片的表面活性剂，增加印刷电极上相邻薄片的连接，这可以降低电极在松弛和拉伸状态下的电阻。当一个电极安装在有汗水的受试者手臂上时，其电阻可以从3.02欧姆降低到0.6欧姆，显示出汗对接线电极的积极影响。
图1. Ag-HPUA电极的制备和人体汗液增强电导率示意图：（A）人体汗液的导电性增强示意图及拉伸前后与汗液接触时印刷的Ag-HPUA电极的表面变化；（B）Ag-HPUA墨水的组成和照片图像，比例尺：2厘米；（C和D）Ag-HPUA电极分别在汗液浸泡前后的SEM 图像，比例尺：1微米；通过丝网印刷（E）和直写（F）在纺织品上制造Ag-HPUA电极；（G和H）分别在纺织品上丝网印刷和直写图案，比例尺：2厘米。
图2. Ag-HPUA电极汗液增强电导率的表征和机制：（A）纺织品和Ag-HPUA电极之间的界面方案以及活性离子和Ag-HPUA电极之间的纺织品增强接触面积；（B）Ag-HPUA和Ag-SEBS电极的人工汗液接触角；（C）分别用NaCl/KCl/尿素、NaCl/KCl/乳酸、乳酸和人工汗液浸泡后Ag-HPUA电极的电阻变化；（D）Ag-HPUA电极在用原始人工汗液浸泡并随后用去离子水洗涤后对纺织品的电阻，插图是标记区域的放大倍数；（E）用不同pH值的人工汗液浸泡后Ag-HPUA电极的电阻变化；（F）用不同浓度Cl-的汗液（pH 4）浸泡后Ag-HPUA电极的电阻变化；（G）在接触人造汗液（pH 5.5）后，印在裸露（黑色图）和0.4%乳酸浸泡（红色图）纺织品上的Ag-HPUA电极的电阻变化；（H）通过以2分钟的间隔喷洒和浸泡来涂抹汗液（pH 4）后Ag-HPUA电极的电阻变化的比较；（I和J）Ag-HPUA分别在与人造汗液接触30分钟之前和之后的高倍放大SEM图像，比例尺：3微米；（K和L）Ag-HPUA电极与人工汗液反应前后的导电原子力显微镜。
总之，研究人员设计了可印刷、可光固化和基于纺织品的Ag-HPUA电极，其电阻可以通过人体汗液在原始和拉伸状态下降低。电极由具有亲水性、光固化性和高拉伸性的银片和HPUA粘合剂组成。HPUA粘合剂由氨基甲酸酯基团（-NH-C=OO-）组成的硬链段和由脂肪族聚醚（-O-）或聚酯（-CO-O-）主链组成的软链段被丙烯酸酯封端（C=C）每端的官能度。当Ag-HPUA遇到汗液时，乳酸和Cl-协同作用，通过去除润滑剂和烧结暴露的Ag薄片来快速且永久地提高导电性。深入探讨了Ag-HPUA电极与汗液反应的影响因素和机制。汗液还可以显着提高电极对拉伸变形的耐用性。在体测试表明，在受试者开始分泌汗液后，电极的电阻可以从3.02欧姆降低到0.6欧姆。进一步的研究将探索汗液和穿着行为中的其他成分，例如人体传递的热量，对烧结反应的影响。
参考文献：
Jian Lv, Gurunathan Thangavel, Yi Li,Jiaqing Xiong, Dace Gao, Jinghao Ciou, Matthew Wei Ming Tan, Izzat Aziz,Shaohua Chen, Juntong Chen, Xinran Zhou, Wei Church Poh, Pooi See Lee, Printable elastomeric electrodes with sweat-enhanced conductivity for wearables, Sci. Adv. 2021, https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabg8433/tab-pdf.