表皮聚合物印刷紋身電極透氣性研究

    隨著可穿戴電子設備的快速發展，下一代表皮傳感器對透氣性提出了更高要求。傳統的醫療級電極（如Ag/AgCl濕電極）雖然信號質量高，但依賴于導電凝膠，容易導致皮膚刺激、不適，且信號穩定性隨時間下降。為了解決這些問題，研究者開發了基于聚合物基底（如PET、Parylene C、硅膠等）的干電極，但這些材料本身透氣性較差，水蒸氣透過率（WVTR）通常僅在0.4至4 g m?2 h?1之間，無法滿足皮膚正常的生理性經皮水分流失（TEWL）需求。

    為了提升透氣性，研究者嘗試了微穿孔、激光打孔、使用多孔基底（如紙張、織物、納米纖維網）等方法。然而，這些方法往往增加了制造復雜度，限制了規模化應用。近年來，基于PEDOT:PSS的聚合物紋身電極因其超薄、貼合、自粘附、可印刷等優點受到廣泛關注。已有研究表明其在電生理信號采集方面表現優異，但其透氣性尚未被系統研究。

  本研究系統評估了基于PEDOT:PSS的全聚合物印刷紋身電極的透氣性。研究通過多種實驗手段，包括掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、液態水滲透性測試、水蒸氣透過率（WVTR）測試、電化學阻抗譜（EIS） 和運動狀態下的肌電信號（EMG）記錄，全面揭示了紋身電極的透氣機制。

    實驗結果表明，紋身電極內部存在天然的多孔結構，液態水滲透率可達26.8 L m?2 h?1 bar?1，WVTR約為70 g m?2 h?1，遠高于人體正常經皮水分流失率（4–8 g m?2 h?1）。EIS結果顯示，紋身電極在佩戴2小時內阻抗穩定，未出現濕界面形成，說明其具備良好的透氣性和干界面穩定性。在運動實驗中，電極在劇烈出汗條件下仍能保持干爽，EMG信號質量穩定。

    綜上，PEDOT:PSS紋身電極天然具備透氣性，能夠在長時間佩戴和運動狀態下保持信號穩定與皮膚舒適，是理想的下一代表皮傳感器平臺。

本研究采用多種實驗手段系統評估PEDOT:PSS紋身電極的透氣性與電生理性能。電極通過噴墨打印技術制備，使用Fujifilm Dimatix DMP-2800系統將PEDOT:PSS墨水（Clevios P jet 700）印刷在商用紋身紙（Tattoo 2.1, The Magic Touch Ltd.）上，隨后在110°C下干燥15分鐘，形成約200 nm的PEDOT:PSS層與約500 nm的乙基纖維素（EC）支撐層。

    為探究其內部結構，研究使用SEM和AFM對電極截面和表面形貌進行表征。SEM樣品經液氮脆斷處理以保留孔隙結構，AFM則用于分析EC薄膜的表面粗糙度與孔隙分布。

    液態水滲透性測試采用HP4750高壓過濾裝置（Sterlitech Corporation），在5 bar氮氣壓力下進行死端過濾實驗，記錄單位時間透過水量，計算滲透率P（L m?2 h?1 bar?1）。WVTR測試則將電極樣品覆蓋在裝有水的容器開口上，在恒溫恒濕條件下（21°C，40% RH）連續4天稱重，計算水蒸氣損失速率。

電化學性能通過Autolab電化學工作站進行EIS測試，頻率范圍為0.1 Hz至100 kHz，采用三電極結構對比紋身電極、PET基底電極與Ag/AgCl電極在皮膚上的阻抗變化。

    運動狀態下的信號穩定性通過MUOVI可穿戴采集單元（OT Bioelettronica，Italy）記錄股外側肌的EMG信號。受試者進行30分鐘自重訓練，分別在運動前后記錄深蹲動作下的EMG信號，并分析信噪比（SNR）變化。

 實驗結果顯示，PEDOT:PSS紋身電極備優異的透氣性和電生理信號穩定性。SEM和AFM圖像（圖1b–d）揭示了電極內部存在天然的多孔結構，EC薄膜表面粗糙度RMS為65.4 nm，孔隙分布不均，有助于水分子的滲透與蒸發。

    液態水滲透性測試（圖2b）顯示，電極在加壓初期表現出較高的水通量，隨后逐漸下降，表明其結構具有一定的可壓縮性。兩個樣品的滲透率分別為7.6 ± 0.6 和 46 ± 6 L m?2 h?1 bar?1，平均值為26.8 L m?2 h?1 bar?1，證實液態水能夠通過電極孔隙。

     WVTR測試（圖3b）顯示，純EC薄膜的WVTR為85 g m?2 h?1，而EC-PEDOT:PSS雙層結構為70 g m?2 h?1，降低了約17%。這主要是由于PEDOT:PSS層的吸濕性導致水分子被吸附并引起膨脹。電極厚度在吸水后增加約42%（從608 nm增至885 nm），電阻也相應上升38%（圖3c）。

EIS結果（圖4b）表明，紋身電極在佩戴2小時后阻抗譜無明顯變化，始終呈現干界面特性；而PET基底電極則在2小時后出現低頻平臺，表明界面形成汗液層，阻抗行為趨近于濕電極。

    在運動實驗中，紋身電極在30分鐘高強度訓練后仍保持干爽（圖4d），EMG信號SNR從36.90略降至22.68，信號質量仍可接受，證明其在高出汗率條件下仍能穩定工作。

    本研究系統評估了全聚合物印刷PEDOT:PSS紋身電極的透氣性，揭示了其天然多孔結構與材料吸濕性共同作用下的高效水分傳輸機制。實驗證明，該電極在液態水滲透率（26.8 L m?2 h?1 bar?1）和水蒸氣透過率（70 g m?2 h?1）方面均遠超人體正常TEWL值，能夠在長時間佩戴和劇烈運動中保持干爽界面和穩定信號。

    與傳統的PET基底電極和濕Ag/AgCl電極相比，PEDOT:PSS紋身電極在阻抗穩定性和皮膚舒適性方面具有明顯優勢。其無需凝膠、自粘附、超薄貼合的特性，使其在長期健康監測、運動醫學、神經科學等領域具有廣闊應用前景。

    未來研究可進一步優化PEDOT:PSS與EC層的界面結構與孔隙率，提升其機械穩定性和導電性。同時，探索其與其他功能材料（如藥物釋放、溫度傳感）的集成，有望實現多功能、全透氣、智能化的表皮電子系統。此外，規模化印刷工藝的成熟也將推動其從實驗室走向臨床與消費市場。