纹身电极及其制备方法与系统

技术领域

本发明涉及生物电极技术领域，尤其涉及一种纹身电极及其制备方法与系统。

背景技术

纹身电极是一种柔性的、可拉伸的和超薄的电子传感器件，可以贴合在人体皮肤上高信噪比地记录人体各种电生理信号，在脑机接口、日常健康监护和智能医疗领域有着极大的应用前景。2017年美国研发了一种基于石墨烯的丝状蛇纹石形状的纹身电极，该电极具有40％的高拉伸性，光学透明度达85％，且其网眼结构可以提供良好的透气性。但由于该电极由化学气相沉积的方式生产，所获得的石墨烯较易损，难以获得期望的纹身图案和持久性较低。2018年法国与意大利合作研发出一种用于脑信号测量的纹身电极，将导电聚合物用喷墨打印的方式打印在转印纹身纸上，并通过优化导电聚合物和纹身纸，以达到高质量与高信噪比地记录脑信号，但成本较高且工序复杂耗时。此外，目前的纹身电极往往存在附着性不佳以及电极连接器连线复杂等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中纹身电极附着性不佳以及连线复杂等缺陷，提供一种纹身电极及其制备方法与系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种纹身电极，包括导电层、转印纹身纸；

所述导电层包括导电聚合物包裹的导电体，其中，所述导电聚合物为PEDOT:PSS(聚3,4-乙基苯二氧基噻吩和聚苯乙烯磺酸盐)材质，所述导电体为银纳米线；所述转印纹身纸包括粘性层、溶解层和支撑层；所述导电层用于通过将所述导电体喷墨印刷于所述粘性层和所述支撑层，以形成全聚合物电极。

较佳地，所述粘性层的一侧为所述支撑层；所述粘性层的另一侧用于附着于人体皮肤。

较佳地，所述溶解层包括水溶性聚环氧乙烷基底；所述支撑层包括乙基纤维素层。

较佳地，还包括磁吸层；所述磁吸层包括被所述导电聚合物包裹的磁性纳米颗粒；

所述磁吸层用于和电极连接器磁吸，以使所述电极连接器输出所述纹身电极获取的脑信号；其中，所述电极连接器包括磁盘，所述磁盘用于使所述磁吸层和所述电极连接器磁吸。

本发明还提供了一种纹身电极的制备方法，用于制备上述纹身电极，所述制备方法包括：

将所述纹身电极的导电体喷墨印刷于所述纹身电极的转印纹身纸，以生成全聚合物电极；

对所述转印纹身纸进行溶解及脱水处理，以使所述溶解层溶解并形成所述支撑层，所述支撑层用于支撑所述纹身电极的所述导电层。

较佳地，所述支撑层的厚度为500nm(纳米)。

较佳地，所述制备方法还包括：将所述纹身电极的导电聚合物涂抹在磁性纳米颗粒，并溶于预设体积比例的水，以生成高浓度墨水溶液；所述高浓度墨水溶液用于沉积于真皮层以形成磁吸层。

本发明还提供了一种纹身电极的制备系统，用于制备上述的纹身电极，所述制备系统包括：

喷墨印刷模块，用于将所述纹身电极的导电体喷墨印刷于所述纹身电极的转印纹身纸，以生成全聚合物电极；

脱水处理模块，用于对所述转印纹身纸进行溶解及脱水处理，以使所述溶解层溶解并形成所述支撑层，所述支撑层用于支撑所述纹身电极的所述导电层。

较佳地，所述支撑层的厚度为500nm。

较佳地，所述制备系统还包括磁吸模块，用于将所述纹身电极的导电聚合物涂抹在磁性纳米颗粒，并溶于预设体积比例的水，以生成高浓度墨水溶液；所述高浓度墨水溶液用于沉积于真皮层以形成磁吸层。

本发明的积极进步效果在于：本发明的纹身电极及其制备方法与系统通过设置导电层、转印纹身纸及磁吸层，以及合理地选用各层对应的材质，能够利用网络形状的银纳米线材料的导电率和透射率增强纹身电极的透光性和导电性能，并且不阻碍皮肤呼吸的同时减少汗液对脑信号传输的影响。通过导电聚合物材质不亲水性使纹身电极具有可洗性，能够长期稳定地记录脑信号。磁吸层使电极连接器可吸附于纹身电极进行信号传输，提高了脑机接口的操作便利性。此外，纹身电极直接贴合在人体皮肤纹理，能够最大程度地增加感应面积、界面附着力和稳定度，提高脑电信号的记录信噪比，解决了传统基于硬质金属或导电凝胶的电极中信号质量衰减及运动伪影等问题。纹身电极可随皮肤拉伸与弯曲则提高了生物相容性。

附图说明

图1为本发明实施例1中的纹身电极的结构示意图。

图2为本发明实施例1中的纹身电极的转印纹身纸的结构示意图。

图3为本发明实施例2的纹身电极的制备方法的流程图。

图4为本发明实施例3的纹身电极的制备系统的模块示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

参见图1，本实施例具体提供了一种纹身电极，包括导电层101、转印纹身纸102和磁吸层103。导电层101包括导电聚合物包裹的导电体，其中，导电聚合物为PEDOT:PSS材质，导电体为银纳米线；转印纹身纸102包括粘性层、溶解层和支撑层；导电层101用于通过将导电体喷墨印刷于粘性层和支撑层，以形成全聚合物电极。可选地，磁吸层103包括被导电聚合物包裹的磁性纳米颗粒；磁吸层103用于和电极连接器磁吸，以使电极连接器输出纹身电极获取的脑信号；其中，电极连接器包括磁盘，磁盘用于使磁吸层和电极连接器磁吸。

对于导电层，由于银纳米线具有高导电性、高柔韧性和高透光性性，因此作为导电层的导电材料。但由于银纳米线材料表面的粗糙度较高、与柔性衬底的粘附力较低等特点，将由PEDOT:PSS组成的导电聚合物涂抹在网状结构的银纳米线上，网状结构的银纳米线可以保证皮肤的呼吸且透光率，减少汗液对纹身电极采集脑信号的影响。导电聚合物PEDOT:PSS具有高传导性、可印刷性和化学稳定性等优点，可以使用传统技术轻松地将其加工成薄膜形状。导电聚合物PEDOT:PSS同时也是无细胞毒性的材料，其附着在人体皮肤上时对皮肤宿主细胞不构成任何风险，因此具有很好的生物相容性。

作为较佳的实施方式，参见图2示出的一种转印纹身纸结构，其中粘性层1的一侧为支撑层2；可以理解，粘性层1的另一侧用于附着于人体皮肤。溶解层3为水溶性聚环氧乙烷基底；支撑层2包括乙基纤维素层。其中，粘性层1可以确保紧密地附着在人体皮肤上。溶解层3作用为临时柔软基底，其溶解后剩余乙基纤维素层做为支撑层2，用于支撑纹身电极的导电层。其中乙基纤维素层是低成本、对皮肤安全且易于使用的材料。基于这种方式，转印纹身纸支撑层上的导电层容易稳定地转移到人体皮肤上。

磁吸层主要材料是被导电聚合物薄膜PEDOT:PSS包裹的磁性纳米颗粒，其主要目的是记录脑信号时，只需将具有磁铁特性的电极连接器吸附在纹身电极上，即可以长时间稳定地记录高信噪比的脑信号。制作过程是先将导电聚合物PEDOT:PSS涂抹在磁性纳米颗粒上，溶于一定比例的水，做成高浓度墨水溶液的形态。本实施例的纹身电极在具体使用过程中，当开始纹身时可以先对导电层周围一圈皮肤消毒及涂抹凡士林，然后使用纹身枪，其纹身针高速均匀地穿刺皮肤表皮层后将上述的墨水溶液带进导电层周围皮肤，沉积在表皮层下的真皮层中，即形成磁吸层。可以理解，纹身电极的信号传输通过电极连接器实现中继，电极连接器正中心材料可以是银或氯化银以起到导电的作用，周围一圈为磁盘，其材质可以是钕铁硼磁铁，是一种磁性仅次于绝对零度钬磁铁的永久磁铁，其作用为磁吸纹身电极的磁吸层。当需要记录脑信号时，将电极连接器jigsaw的中心对准人体皮肤的导电层，其磁盘会根据磁吸作用与皮肤磁吸层发生连结，稳定地将电极连接器正中心与皮肤导电层相连，可以用来传递脑信号。

本实施例的纹身电极通过设置导电层、转印纹身纸及磁吸层，以及合理地选用各层对应的材质，能够利用网络形状的银纳米线材料的导电率和透射率增强纹身电极的透光性和导电性能，并且不阻碍皮肤呼吸的同时减少汗液对脑信号传输的影响。通过导电聚合物材质不亲水性使纹身电极具有可洗性，能够长期稳定地记录脑信号。磁吸层使电极连接器可吸附于纹身电极进行信号传输，提高了脑机接口的操作便利性。此外，纹身电极直接贴合在人体皮肤纹理，能够最大程度地增加感应面积、界面附着力和稳定度，提高脑电信号的记录信噪比，解决了传统基于硬质金属或导电凝胶的电极中信号质量衰减及运动伪影等问题。纹身电极可随皮肤拉伸与弯曲则提高了生物相容性。

实施例2

参见图3所示，本实施例具体提供了一种纹身电极的制备方法，用于制备实施例1中的纹身电极，制备方法包括：

S1.将纹身电极的导电体喷墨印刷于转印纹身纸，以生成全聚合物电极；

S2.对转印纹身纸进行溶解及脱水处理，以使溶解层溶解并形成支撑层，支撑层用于支撑纹身电极的导电层。较佳地，上述支撑层的厚度为500nm。

步骤S1将包裹在导电聚合物薄膜PEDOT:PSS中的银纳米线喷墨印刷在转印纹身纸的粘性层和支撑层的水溶性聚环氧乙烷基底(即溶解层)上，得到全聚合物电极。具体地，可以在预定区域中进行喷墨印刷，并可按照预设的图案进行印制，得到期望得到的图案化的纹身电极。步骤S2对转印纹身纸进行溶解及脱水处理，PEDOT：PSS的单个印刷层的厚度为240nm，脱水处理后将其转移到人体皮肤上。其中水溶性聚环氧乙烷基底完全溶解在水中，而包裹在导电聚合物薄膜PEDOT:PSS中的银纳米线保持完好无损，保持其导电的性质。保留下来的无底物电极因为超薄的特性，通过范德华力，可以与人体皮肤形成全面接触。因为该导电聚合物的不亲水性，使得纹身电极具有可洗性，能够长期稳定地记录脑信号。喷墨印刷可以通过数字设计的方式将各种材料图案化到各种柔性基底上。更进一步的，喷墨印刷具有高分辨率、低成本高准确率等优点，相较于气溶胶喷射和光刻等制作工艺，纹身电极制作过程成本低，操作简单。

作为较佳的实施方式，制备方法还包括步骤S0：将纹身电极的导电聚合物涂抹在磁性纳米颗粒，并溶于预设体积比例的水，以生成高浓度墨水溶液。可以理解，当采用实施例1中的磁吸层设置方式时，步骤S0用于使高浓度墨水溶液沉积于真皮层以形成磁吸层。

本实施例的纹身电极的制备方法通过设置导电层、转印纹身纸及磁吸层，以及合理地选用各层对应的材质，能够利用网络形状的银纳米线材料的导电率和透射率增强纹身电极的透光性和导电性能，并且不阻碍皮肤呼吸的同时减少汗液对脑信号传输的影响。通过导电聚合物材质不亲水性使纹身电极具有可洗性，能够长期稳定地记录脑信号。磁吸层使电极连接器可吸附于纹身电极进行信号传输，提高了脑机接口的操作便利性。此外，纹身电极直接贴合在人体皮肤纹理，能够最大程度地增加感应面积、界面附着力和稳定度，提高脑电信号的记录信噪比，解决了传统基于硬质金属或导电凝胶的电极中信号质量衰减及运动伪影等问题。纹身电极可随皮肤拉伸与弯曲则提高了生物相容性。

实施例3

参见图4所示，本实施例具体提供了一种纹身电极的制备系统，用于制备实施例1中的纹身电极，制备系统包括：

喷墨印刷模块10，用于将纹身电极的导电体喷墨印刷于转印纹身纸，以生成全聚合物电极；

脱水处理模块20，用于对转印纹身纸进行溶解及脱水处理，以使溶解层溶解并形成支撑层，支撑层用于支撑纹身电极的导电层。较佳地，上述支撑层的厚度为500nm。

喷墨印刷模块10将包裹在导电聚合物薄膜PEDOT:PSS中的银纳米线喷墨印刷在转印纹身纸的粘性层和支撑层的水溶性聚环氧乙烷基底(即溶解层)上，得到全聚合物电极。具体地，可以在预定区域中进行喷墨印刷，并可按照预设的图案进行印制，得到期望得到的图案化的纹身电极。脱水处理模块20对转印纹身纸进行溶解及脱水处理，PEDOT：PSS的单个印刷层的厚度为240nm，脱水处理后将其转移到人体皮肤上。其中水溶性聚环氧乙烷基底完全溶解在水中，而包裹在导电聚合物薄膜PEDOT:PSS中的银纳米线保持完好无损，保持其导电的性质。保留下来的无底物电极因为超薄的特性，通过范德华力，可以与人体皮肤形成全面接触。因为该导电聚合物的不亲水性，使得纹身电极具有可洗性，能够长期稳定地记录脑信号。喷墨印刷可以通过数字设计的方式将各种材料图案化到各种柔性基底上。更进一步的，喷墨印刷具有高分辨率、低成本高准确率等优点，相较于气溶胶喷射和光刻等制作工艺，纹身电极制作过程成本低，操作简单。

作为较佳的实施方式，制备方法还包括磁吸模块30，用于将纹身电极的导电聚合物涂抹在磁性纳米颗粒，并溶于预设体积比例的水，以生成高浓度墨水溶液。可以理解，当采用实施例1中的磁吸层设置方式时，磁吸模块30用于使高浓度墨水溶液沉积于真皮层以形成磁吸层。

本实施例的纹身电极的制备系统通过设置导电层、转印纹身纸及磁吸层，以及合理地选用各层对应的材质，能够利用网络形状的银纳米线材料的导电率和透射率增强纹身电极的透光性和导电性能，并且不阻碍皮肤呼吸的同时减少汗液对脑信号传输的影响。通过导电聚合物材质不亲水性使纹身电极具有可洗性，能够长期稳定地记录脑信号。磁吸层使电极连接器可吸附于纹身电极进行信号传输，提高了脑机接口的操作便利性。此外，纹身电极直接贴合在人体皮肤纹理，能够最大程度地增加感应面积、界面附着力和稳定度，提高脑电信号的记录信噪比，解决了传统基于硬质金属或导电凝胶的电极中信号质量衰减及运动伪影等问题。纹身电极可随皮肤拉伸与弯曲则提高了生物相容性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。