InfoMat：‌基于液态金属与纳米纤维膜的高拉伸和透气性的表皮电极

       随着健康监测和人机交互技术的快速发展，传统刚性电子器件（主要基于硅、金属等硬质材料）面临显著局限性。这类器件与人体软组织的机械性能不匹配，导致皮肤接触不良、易脱落及信号失真等问题。此外，其较差的透气性可能引发长期佩戴时的皮肤炎症。针对这些挑战，本研究开发了一种兼具高透气性和长期稳定信号监测能力的柔性电子器件。

       通过将超声处理的液态金属（LM）抽滤涂覆在静电纺丝制备的SBS（聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯）纳米纤维膜上，并经机械活化处理，成功构建了具有多孔垂直弯曲结构的LM-SBS复合薄膜。该薄膜表现出优异的导电性（3730S cm-1）、延展性（＞2000%）、透气性（40.20 g m-2 h-1）以及生物相容性。创新性地采用“涂覆-预拉伸激活”工艺，无需化学改性即可实现高电导率与透气性的平衡，有效解决ECG/EMG记录时因出汗导致的信号衰减问题。在电生理监测中，该器件能维持低且稳定的接触阻抗长达10 h以上，实现了长程电生理信号稳定监测。实验表明，基于LM-SBS的EMG系统可检测3.12%的最小MVC（最大自主收缩），灵敏度显著高于传统凝胶电极（约9.44%）。

• 材料设计与工艺：将液态金属与SBS纳米纤维膜结合。通过预拉伸激活使其多孔结果得到增强，因此该电极具有优异的导电性（3730S cm^-1）、延展性（＞2000%）以及透气性（40.20 g m^-2 h^-1）。

• 优异的监测性能：能够实现长时间（10h）连续ECG监测，并且能够检测微小的EMG信号，该电极检测的最小MVC约为3.12%

图1. (A) LM‑SBS薄膜贴附在人体皮肤上的示意图。(B) 开口的、覆盖LM‑SBS_after(预拉伸后的LM‑SBS薄膜)、覆盖LM‑SBS₀(未拉伸的LM‑SBS薄膜)和覆盖PDMS材料的四个瓶子的水蒸气透过率比较。(C) SBS和LM‑SBS薄膜的应力‑应变曲线。(D) 不同溶剂静电纺丝得到的SBS薄膜的应力‑应变曲线。(E) 不同静电纺丝时间得到的SBS薄膜的应力‑应变曲线。(F) 不同超声功率处理得到的LM‑SBS薄膜的电导率比较。(G) 负载不同LM质量的LM‑SBS薄膜的电导率比较。(H) 负载不同LM质量的LM‑SBS薄膜的应力‑应变曲线。(I) 负载不同LM质量的LM‑SBS薄膜的拉伸应变导致电阻变化。

图2. (A) LM‑SBS薄膜在300%-800%循环应变下的电阻变化。(B) LM‑SBS薄膜在200%、400%、600%和800%应变下的加载‑卸载曲线。(C) LM‑SBS薄膜在不同应变的拉伸循环下的电阻变化。(D) LM‑SBS薄膜在100%应变下10000个循环的电阻变化。(E) LM‑SBS薄膜与现有基于LM可拉伸电极，在100%应变耐久性测试中比较渗透性、拉伸性和循环次数。(F) 不同材料在受试者前臂上覆盖1周后的比较照片。

图3. (A) 商用Ag/AgCl凝胶电极和LM‑SBS电极在不同频率下的电极-皮肤阻抗。(B) 测量ECG的实验装置示意图。(C) 静坐状态下，LM‑SBS电极（上）和商用凝胶（下）监测的心电图。(D) 从上午11点到晚上9点，使用LM‑SBS电极监测日常活动下的ECG。(E) 从上午11点到晚上9点，使用LM‑SBS电极监测日常活动下的心率。(F) 10小时ECG监测的R‑R间隔直方图。(G) 10小时ECG监测的洛伦兹图。(H) 10小时ECG监测的频率分布图（HF：高频；LF：低频；VLF：极低频）

图4. (A) 使用LM‑SBS电极和商用凝胶电极在放松状态和150N的抓握状态下监测的EMG。 (B) LM‑SBS电极和商用凝胶电极在不同MVC下监测的EMG信号对比图。 (C) 使用商用凝胶电极和LM‑SBS电极监测的EMG信号的信噪比。 (D) 使用LM-SBS电极监测不同手势的EMG信号以及（E）相应的信噪比。

本研究采用静电纺丝技术制备SBS纳米纤维膜，并与液态金属（LM）复合形成LM-SBS薄膜。通过系统优化LM负载量、溶剂选择和超声处理功率等参数，成功开发出兼具优异机械性能和高导电性的复合材料。特别值得注意的是，该材料在预拉伸处理后还展现出卓越的透气性能。基于这一创新材料，研究团队进一步开发了可穿戴监测系统。在实际生活场景测试中，LM-SBS电极表现出以下优势：可长时间无线监测心电（ECG）信号；接触阻抗显著低于商用Ag/AgCl凝胶电极；在肌电信号（EMG）检测中性能更优。这项研究为智能可穿戴设备在长期、高精度表皮生理监测方面的应用提供了创新解决方案，具有重要的临床应用价值。

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