研究人员通过结合单壁碳纳米管和聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）纳米片，创造了一种尖端的生物电极材料用于可穿戴设备。这种新材料具有柔韧性、透湿性，并能紧密贴合皮肤，非常适合长期使用。这一突破解决了当前生物电极材料的关键局限性，为医疗保健和健身应用提供了更舒适、高效的可穿戴设备。
持续监测生物信号的可穿戴电子设备已彻底改变了医疗保健和健身领域。这些设备越来越受到欢迎，预计到2033年，将达到约5720.6亿美元的市场价值。随着这一快速扩张，对能够准确捕捉长时间生物信号的高质量生物电极的需求也在不断增长。然而，许多现有的生物电极材料，如金属、导电聚合物和水凝胶，均存在限制。它们通常缺乏与皮肤一起伸展而不受损伤的灵活性，并且透湿性差，导致汗水积聚和不适。
为了克服这些挑战，由东京工业大学的助理教授堀井达宏和副教授藤江敏範带领的研究团队开发了一种可拉伸、透湿并紧密贴合皮肤的生物电极材料。这种创新材料由单壁碳纳米管(SWCNTs)制成的导电纤维网络层构成，放置在柔性聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）(SBS)纳米片上。纳米片紧紧贴合皮肤，使生物信号的测量更为准确，同时碳纳米管纤维保持了材料的柔韧性和透湿性。
“为了让皮肤自然变形而不限制运动，我们需要可拉伸、透湿并适应皮肤凸起的自支撑电极，”堀井解释道。
研究人员将SWCNTs作为水相分散液涂在SBS纳米片上，形成厚度仅为431纳米的多层结构。每一层SWCNTs增强了纤维的密度和厚度，改变了生物电极的性能。虽然增加SWCNT层数会使纳米片变得更硬（初始弹性模量48.5 MPa，单层为60.8 MPa，五层为104.2 MPa），但生物电极仍保持了显著的灵活性。原始SBS纳米片以及带有一层或三层SWCNTs（SWCNT 3rd-SBS）的材料在永久变形之前可以弹性拉伸其原始长度的380%。这种灵活性超过了金属电极如金的3几百GPa范围的杨氏模量，且在断裂前能拉伸不到30%的原始长度。
生物电极的另一个关键要求是高水汽透过性，以防止在体育活动过程中汗水积聚。增加SWCNTs是有利的，因为它们的纤维网络结构提升了透气性，相比于连续薄膜。在水蒸气透过率(WVTR)实验中，SWCNT 3rd-SBS显示出的WVTR为28,316 g m-2 (2 h)-1，是普通皮肤的两倍。
这种生物电极材料在长期使用中也表现出极高的耐用性。为了评估其耐用性，研究人员将生物电极浸入人工汗液中，并进行反复弯曲，测量电阻的变化。在这些测试中，电阻仅微增，汗液中增加了1.1倍，在300次弯曲循环中增加了1.3倍。此外，SWCNT 3rd-SBS纳米片在摩擦十次后几乎没有或没有分离，表明其适用于长期使用。
在一次现实世界性能评估中，研究人员将带有三层SWCNT的SBS纳米片与商业可用的生物电极材料，如Ag/AgCl凝胶电极进行比较。生物电极被附着在前臂上，并在握持动作中进行表面肌电图(sEMG)测量。SWCNT-SBS纳米片的性能与商业Ag/AgCl凝胶电极相当，信噪比分别达到了24.6 dB和33.3 dB。
藤江总结道：“我们开发了适合皮肤的高透湿性生物电极，展示了在sEMG测量中的与传统电极相当的性能，”强调了该材料在医疗保健可穿戴设备中的良好潜力。
