聚吡咯/棉织物心电电极的制备和性能评价
近几十年来，纺织心电电极用于长期心电信号监测，越来越多的受到各国研究者的重视。一方面原因是，对心脏病潜在患者和患者进行长期心电信号监测，可预防和快速治疗心脏病，因此许多学者试图研制出可穿戴心电监测设备以便于长期监测。另一方面原因是，织物结构心电电极质轻柔性好，在采集心电信号时与皮肤贴合性好，不需要涂覆导电凝胶，可弥补目前临床所用Ag/AgCl凝胶电极的一些缺点，例如导电凝胶引起的皮肤过敏以及随时间的延长导电凝胶变干而造成测试信号不准确。基于上述原因，许多科研人员积极探索取代传统电极的纺织电极的制备方法。 目前制备纺织心电电极的方法主要有三种：第一种是利用导电纤维或在纤维中加入导电粒子使其具有导电性，进而纺纱织造，织成织物电极；第二种是将导电纱线采用缝纫的方法缝于织物上；第三种是在织物表面沉积导电金属或导电高聚物的方法。相比三种方法，在织物表面沉积导电物的方法，可以很好地保留织物的物理机械性能，制备过程较简单，是非常具有前景的制备方法。聚吡咯作为一种导电高聚物，具有优良环境稳定性、以及质轻、无毒、低成本等特点，因此课题选取导电高聚物聚吡咯与织物复合，从而形成导电织物电极。同时课题对电极检测心电信号的性能进行探讨，包括聚合时掺杂剂对心电信号性能的影响和检测过程中皮肤-电极界面及材料对检测的影响，从而提出较优方案。 课题的研究内容如下： （1）聚吡咯/棉织物心电电极的制备。制备方法采用化学氧化法，以棉机织物为基布，将织物浸入含有吡咯单体和掺杂剂的水溶液中，加入氧化剂，使吡咯聚合至棉织物上，形成具有导电性的织物，并对其外貌特征和导电性能进行初步分析，并将其用于实际信号测量，评价测试信号质量。 （2）研究了不同浓度掺杂剂NDSA对聚吡咯/棉织物心电电极采集信号性能影响。采用五种浓度NDSA作为掺杂剂，利用化学氧化法进行聚吡咯/棉织物制备。经分析心电信号测量标准可知，电极材料对阻抗值、除颤恢复性能和直流失调电压有明确的要求，这些性能均为电化学反应过程所表现的。试验中利用电化学工作站，对含有不同浓度掺杂剂制备的聚吡咯/棉织物电极进行电化学测试，其中包括电化学阻抗谱测试、循环伏安曲线测试、开路电位测试，并说明了相对最优掺杂剂浓度。 （3）建立聚吡咯/棉织物心电电极测量时的等效电路模型。织物电极是通过采集体表生物电位而进行心电信号检测的。电极部分采集信号过程，可分为两个部分，一个部分是电极在皮肤表面处发生电化学反应，从而将生物体内离子流转换为采集装置的电子流，另一个部分是电子在电极材料中的移动。利用电化学工作站，测试两部分电极材料等效电路，并明确各元件具体大小，分析电极材料制备参数对其性能的影响。 经上述研究后发现，化学氧化法所制备的聚吡咯/棉织物心电电极，在心电信号的采集测试中，可以得到记录完整、有特征波的心电信号。对其电学性能和增重率进行测试，聚吡咯/棉导电织物的方阻为995Ω，增重率为16.4％，说明经氧化聚合反应后，织物表面沉积导电聚吡咯并显示出明显的导电性。电化学阻抗谱结果表明，随着掺杂剂浓度的增加，织物电极的阻抗逐渐下降。当NDSA的浓度为0.0045 mol/L，继续增加掺杂剂的浓度，织物电极的阻抗变化较小。循环伏安特性曲线表明，在0~0.0045 mol/L范围内增加掺杂剂浓度，将提高织物电极的氧化还原性能，有利于改善织物电极的除颤恢复性。开路电压测试结果表明，电极测试心电信号，具有较好的稳定性。电极-皮肤界面处等效电路模型为电荷转移电阻与双电层电容并联，再串联一个溶液电阻。织物电极材料的等效电路为电阻与电容并联。
织物心电电极;聚吡咯;棉织物;心电电极;化学聚合;电化学阻抗谱法;循环伏安法;制备工艺
东华大学
硕士
纺织工程
丁辛
2014
中文
TS115
68
2015-07-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）