纤维素电纺纳米纤维柔性表皮电极制备与性能

摘要

【目的】为了解决当前可穿戴电极材料的生物不相容性、低响应集成特性等问题，本研究采用天然纤维素为原料，结合新型溶解技术与静电纺丝技术，通过原位聚合导电高分子制备纤维素电纺纳米纤维柔性表皮电极，并探究其在人体电信号监测领域的应用。【方法】将纤维素溶解于新型离子液体复合溶剂中，构建低黏度、长期稳定的纺丝液；采用室温静电纺丝法结合预凝固过程制备再生纤维素基电纺纳米纤维；通过与导电材料聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT:PSS)复合进行纳米自组装，得到柔性表皮电极。采用扫描电镜、全自动比表面和孔隙度分析仪、C101气体渗透测试系统、傅里叶变换红外光谱仪、X射线晶体衍射仪表征电极的形貌特征和化学结构，采用万能材料试验机测试电极的拉伸性能和黏附力，采用电化学工作站检测电极阻抗，通过双导肌肉电模块及多道生理信号采集系统监测肌电图和心电图。【结果】纤维素电纺纳米纤维柔性表皮电极具有有序排列的网状结构和丰富的孔道结构，呈现纤维素Ⅱ晶型结构；当PEDOT:PSS体积分数为20%时，电极的拉伸性能和黏附性最优，即应变为9.8%，杨氏模量0.04 MPa，且对玻璃和猪皮的黏合力（分别为17.8、14.7 N/m）较高；电极在10_-²～10₅ Hz范围内表现出低电极–皮肤电接触阻抗，且能够产生高质量的肌电和心电信号。【结论】本研究以天然纤维素和导电材料为主要构件，制备了一种具有柔性、透气性、自黏附性和低阻抗性能的可穿戴电极。该电极可用于人体电信号监测，为生物相容纤维素基可穿戴电极材料的构建提供了技术支撑。

关键词

纤维素溶解 / 离子液体 / 静电纺丝 / 纳米纤维 / 表皮电极 / 电生理信号

基金资助

北京市大学生创新创业训练计划（S202310022169）;; 国家自然科学基金项目（22308027）,国家资助博士后研究人员计划（GZB20230061）;; 北京林业大学“5·5工程”科研创新团队（BLRC2023B01）