碳纖維/滌綸刺繡心電電極制備及其性能

董 科， 李思明， 吳官正， 黃虹蓉， 林鐘石， 肖學良

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122;2. 深圳市藥品檢驗研究院(深圳市醫療器械檢測中心)， 廣東 深圳 518057)

心腦血管疾病具有高患病率及高死亡率，已經成為一種嚴重威脅人類生命健康的易發病。心電監護已經成為該類疾病的常規檢查手段，心電監護通常需要在醫院內診療，還需要特殊前處理才能長時間監測，如需涂抹導電膏使用的粘貼式凝膠電極，但在特殊前處理時容易造成患者皮膚瘙癢[1]，不適合長時間采集心電信號。對比粘貼式電極，紡織結構的干電極因其柔軟、透氣透濕、循環重復使用性好，并且可加載到可穿戴服裝中，實現長期監測人體生物信號的功能，使患者第一時間了解自身的病情，并能得到及時救助，有望成為目前醫療使用粘貼式電極的替代品[2]。目前研究的織物電極材料主要可分為極化金屬、非極化金屬、聚合物鍍層金屬、納米有機硅和炭黑材料[3-4]，由導電紗線經機織、針織或刺繡，或直接在織物上涂覆導電層制得織物電極。

織物電極的生物相容性差是制約其進入醫療級設備的關鍵因素，特別是織物電極中的導電成分往往具有較強的細胞毒性。細胞毒性是化學物質作用于細胞基本結構或生理過程，如細胞膜或細胞骨架結構，影響細胞的新陳代謝過程(細胞組分或產物的合成、降解或釋放，離子調控和細胞分裂)，導致細胞存活、增殖和/或功能的紊亂，引發不良反應。在醫療監測ECG(心電圖)信號的過程中，電極片直接與人體皮膚組織細胞接觸，因此，醫療診斷用織物電極片需要具備良好的生物相容性[5]，以避免產生皮膚過敏瘙癢等癥狀，提高患者的舒適性體驗。然而很多織物電極所使用的材料如金屬鍍層長絲，都具有一定的細胞毒性[6]，達不到醫療體外材料的測試標準，不適合在醫療衛生領域使用，研究開發具有良好生物相容性的織物電極具有重要的意義。銀的鍍層金屬聚合物因其良好的電學性能被應用在織物電極上，制備的電極表現出優秀的電學性能和采集ECG信號的能力[7]，但由于鍍銀纖維具有一定的細胞毒性，并不適合制備醫療級心電電極。碳纖維是一種導電性優良，比表面積大，并且具有較好的耐腐蝕性能和較低的密度，是制備織物電極的理想材料。

刺繡是制備織物電極常使用的方法，具有工藝流程短，織物形狀可設計性強等優點[8]。本文基于刺繡工藝使用碳纖維及滌綸，以醫療紗布作為基布制備了一種具有良好生物相容性的新型刺繡織物電極，并與使用鍍銀錦綸絲制備的刺繡電極對比，測試了2種織物電極的體外細胞毒性、電學性能，以及ECG信號采集的能力，以期為醫療級織物心電電極的進一步開發提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

碳纖維(線密度為2.2 tex，單位長度電阻為157×103Ω/cm)，凱泰特種纖維科技有限公司；導電純鍍銀錦綸絲(線密度為4.44 tex，單位長度電阻為0.83 Ω/cm)，亨通偉業特種織物科技有限公司；滌綸長絲(線密度為5.56 tex)，名云化纖有限公司。

1.2 導電復合長絲的制備

由于單根碳纖維線密度小強度低，無法單獨制備電極，因此，使用NF 2100型并捻機(南豐機械有限公司)將2根滌綸長絲和1根碳單絲合并加捻制得碳纖維/滌綸復合長絲(線密度為13.32 tex，單位長度電阻為213×103Ω/cm)，捻度為100捻/(10 cm)；同時使用2根滌綸長絲與2根鍍銀錦綸長絲并線加捻制得鍍銀錦綸/滌綸復合長絲(線密度為20 tex，單位長度電阻為8.2 Ω/cm)，捻度為100捻/(10 cm)。制備得到2種紗線。

使用纖維切片器制得切片樣品，在Olympus CX31-32C02型在光學顯微鏡下(日本奧林巴斯株式會社)觀察2種紗線截面形貌，照片如圖1所示。可以看出，紗線周圍包覆的是羊毛，中間白色部分是滌綸截面。

1.3 刺繡電極的制備

作為心電信號傳感器，織物電極的組織、大小、形狀、材料都會對其電學性能產生影響，其中電極織物的尺寸是影響電極阻抗的重要參數：Marozas等[9]研究了電極尺寸及形狀對采集心電信號的影響，結果表明，織物電極直徑小于10 mm時會影響心電信號質量，而直徑大于40 mm時會影響采集信號的精度；Krasteva等[10]研究發現方形的電極比圓形電極表面電流分布均勻度小30%。

為此，本文實驗設計電極片形狀為圓形，直徑設置為25 mm，具體設計圖如圖2所示。使用威克漢姆繡花制版軟件對電極片制版，采用MRS300 A型電腦繡花機(廣維電器科技有限公司)，以醫用紗布(海博醫療器械有限公司)作為基布，分別使用鍍銀錦綸/滌綸復合長絲和碳纖維/滌綸復合長絲制備了2種刺繡電極片，制備刺繡織物電極的工藝參數如表2所示。

表2 刺繡工藝參數
Tab.2 Embroidery process parameters

織物電極針跡類型針跡長度/mm針跡間距/mm針速/(r·min-1)碳纖維/滌綸刺繡電極直線針51.5500鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極直線針51.5500

1.4 生物相容性測試

體外細胞毒性實驗要在體外模擬生物體生長環境，檢測材料或其制品對細胞生長抑制、細胞死亡和其他毒性作用[11]。采用四唑鹽(MTT)比色法對各電極片進行細胞毒性測試，參照GB/T 16886.5—2017《醫療器械生物評學價 第5部分：體外細胞毒性試驗》 進行細胞毒性評價。

具體操作步驟為：將100 uL細胞濃度為1×104個/(100 μL)的小鼠成纖維細胞(L929細胞)接種到96孔板上，使用CO2培養箱(型號INCO 246，德國美墨爾特有限公司)在37 ℃的質量分數為5%的CO2氣體環境下孵育24 h，使細胞形成半匯合狀態，吸出培養基，加入100 μL實驗樣品浸提液、陰性對照(高密度聚乙烯浸提液)、陽性對照(質量分數為10%的二甲基亞砜溶液)和溶劑(空白)的處理培養基，繼續孵育24 h，在IX73P1F型倒置顯微鏡(日本奧林巴斯株式會社)下檢查平板和細胞形態。平板檢查后小心移除培養基并加入50 μL的MTT溶液繼續培養2 h，然后除去MTT溶液，每孔加入100 μL異丙醇。振蕩平板，使用3001型酶標儀(美國賽默飛世爾科技公司)在570 nm波長下測量其吸光度(參照波長650 nm，其測試結果為細胞板的背景和細胞碎片等的干擾吸收，實際吸光度需在570 nm吸光度的基礎上扣除參照波長650 nm下的吸光度)。

由于細胞內的酶能將MTT還原成不溶于水的藍色甲臜類結晶體，并沉淀在細胞中，而在毒性環境中，其酶活性會降低，形成的甲臜類化合物少，顏色較淺，根據顏色深淺可用酶標儀測定其吸光度，從而判斷實驗樣品對小鼠成纖維細胞的毒性，按照下式計算細胞的存活率：

式中：OOD1為實驗樣品100%浸提液光密度平均值；OOD為空白光密度平均值。

1.5 刺繡電極片電學性能測試

1.5.1 織物電極阻抗測試

由于紡織結構電極內部是由導電紗線屈曲交織而成，電極片在不同的壓力狀態下會發生內部結構的變化，從而表現出不同的電學性能，為使測試時織物電極的狀態一致，需要選擇并控制在合適的壓力條件下對電極片進行測試。

阻抗測試原理如圖3所示。織物電極的兩邊使用壓力板(直徑為4 cm的圓形小鐵片)夾持電極片。許鵬俊等[12]測試了不同運動強度下壓力服裝的心電信號，結果表明壓力范圍在0.5～1.4 kPa下可以保證舒適且心電信號穩定，因此，本文實驗對鐵片施加固定的壓力(壓力為1.2 kPa)，使用Victor VC890D型數顯式萬用表(驛生勝利科技有限公司)測試，并記錄阻抗值。

1.5.2 人體皮膚-電極界面阻抗測試

本文實驗采用由Thilagavathi[13]提出的參比測量法，即間接測量法，是應用參照電極通過公式換算間接測量皮膚-電極接觸阻抗的方法。使用萬用表測量皮膚-電極阻抗，將2個粘貼式凝膠電極作為參照電極，等效電路的皮膚電極模型如圖4所示。圖中：Zmp和Zpn表示各參照電極與刺繡電極之間的阻抗；Zmn表示2個參照電極之間的阻抗；Z1和Z2為參照電極與刺繡電極之間的皮膚阻抗；L1、L2為參照電極與刺繡電極之間的距離。使用刺繡電極Z0，參照電極Ze1、Ze2表示各電極片的皮膚-電極界面阻抗，因此，2個電極之間的阻抗可以計算為：

Zmp=Z0+Ze1+Z1

(1)

Zpn=Z0+Ze2+Z2

(2)

Zmn=Ze1+Ze2+Z1+Z2

(3)

由于使用了2個相同的參照電極，因此可以認為Ze1=Ze2，并且L1=L2=6 cm，可認為參照電極與刺繡電極之間的皮膚阻抗相等，即Z1=Z2，則

Z0=Zmp-Zmn/2

(4)

Z0=Zpn-Zmn/2

(5)

在如圖4(b)所示測試中，電極片按順序排列放置固定在皮膚上，使用膠帶對各個電極片提供穩定的壓力，中間為待測刺繡電極，兩邊為參照凝膠電極，每2個電極片中心點之間的距離為6 cm(L1=L2=6 cm)。使用萬用表測試點m和n、m和p、n和p之間的阻抗；根據式(4)、(5)計算各刺繡電極的電極阻抗，在整個心電采集的過程中，由于人體皮膚的阻抗是不斷變化的，受試者持續佩戴6 h，在0、10、20、30 min以及40～360 min每間隔20 min的各時間點測試并記錄皮膚-電極阻抗。

1.6 生理信號采集與評價

生理信號采集與評價系統主要由3部分組成，即傳感器(主要是織物電極)、集成的硬件平臺和顯示終端，如圖5所示。整個硬件平臺是通過濾波和放大電路完成的，附加由深圳善行醫療公司開發的一款軟件，可在移動終端采集到實時ECG信號，其中ECG信號的記錄速度為25 mm/s。

將織物電極通過金屬按鈕與硬件平臺連接。通過三導聯對人體進行ECG標準動態監測，得到的心電信號大致沿心軸方向。這種方法在臨床上普遍采用，可獲得高質量的ECG[14-15]。在本文研究中，2個相同的電極被放置在靠近心臟的胸部表面(Rl和R2)，對于每一個特定的織物電極而言，其導電面料一側與人體皮膚相連，另一側通過金屬鈕扣和導線連接到微型硬件平臺上。

影響電極功能質量評價的因素很多，因此，本文實驗采用一種比較不同賦權系數的評價方法[16]，在相同的硬件條件和測試條件下通過對比織物電極與凝膠電極采集的心電電極的質量，用來評價織物電極采集心電信號的效果。

在心電圖中，QRS-波群和T-波是能描述心臟作用的主要部分。在電極質量的評價中， 如果這些波形部分清晰可見，則給出2分，否則為0分。其中R 峰值振幅表示信號強度，如果大于等于參照凝膠心電電極(2.40 mV)，則會獲得2分；如果在2.0 mV以下，則將獲得0分。穩定時間指心電圖基線到達穩定狀態所需時間，如果穩定需要的時間在10 s以下，則獲得1分，否則為0分。基線振幅表示心電基線的漂移程度，如果基線振幅變化在0.1 mV以下，則給出1分，如果超過 0.1 mV，那么將得到0分。

在評價中，各項指標的加權系數是由電極特性的重要性來確定。在這一評價中，最重要的特性為QRS-波群、P-波、T-波、R-波振幅和基線噪聲干擾，這些特性都是影響心電圖質量的重要因素，從而影響心血管疾病的診斷[17]，因此，各項指標的加權系數設置為：QRS-波群20%；P-波20%；T-波20%；R-波振幅20%；基線振幅變化10%；穩定時間10%。

2 結果與討論

2.1 體外細胞毒性分析

采用顯微鏡觀察不同電極的浸提液接觸后的細胞形貌，結果如圖6所示。可知，鍍銀錦綸/滌綸織物電極浸提液中L929小鼠細胞的細胞層幾乎完全破壞，而碳纖維/滌綸織物電極浸提液中的細胞(見圖6(b))，胞漿內有離散顆粒，無細胞溶解，無細胞增殖下降情況。顯微觀察結果顯示，鍍銀錦綸/滌綸織物電極表現出重度細胞毒性，而碳纖維/滌綸織物電極則基本無細胞毒性。

經MTT法測試發現，鍍銀錦綸/滌綸織物電極的細胞存活率為3%，碳纖維/滌綸織物電極的細胞存活率為107%，結果表明制備的鍍銀錦綸/滌綸織物電極具有較強的細胞毒性，而碳纖維/滌綸織物電極無細胞毒性，這一結果與顯微觀察結果一致。以上結論說明碳纖維/滌綸織物電極符合醫療器械的細胞毒性等級要求。

2.2 刺繡織物電極電學性能評價

在1.2 kPa的恒定壓力條件下，測得鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極與碳纖維/滌綸刺繡電極的阻抗分別為5.4和7.43×103Ω。可見，鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的阻抗顯著大于碳纖維/滌綸刺繡電極。這是由于碳纖維/滌綸刺繡電極中導電紗的含量很少，導電纖維與受測面的接觸點少且單根碳纖維細度較細。但織物電極與皮膚的接觸阻抗也在kΩ級以上，織物電極本身的阻抗不是影響采集心電信號的唯一因素，碳纖維/滌綸刺繡電極可以采集到心電信號，可通過增加碳纖維含量或調整刺繡工藝參數來優化其電學性能。

表3 各電極的心電信號質量評價Tab.3 ECG monitoring and performance analysis comparisons between each electrode

人體皮膚-電極阻抗隨時間變化的測試結果如圖7所示。可見，兩刺繡電極的皮膚-電極阻抗具有相同的變化趨勢，在最開始時阻抗先升高，測試10 min時阻抗達到最大值，而后下降并在30 min時阻抗達到最小值，當測試時間為120 min再次達到峰值，隨后緩慢下降，在300 min后各電極的阻抗值相對趨于穩定，此時碳纖維/滌綸刺繡電極與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的皮膚-電極阻抗越來越接近，可見，在長期穿戴的監測過程中，在測試開始0～5 h時，阻抗的變化是比較顯著的，這可能是由于人體的生理狀態發生了改變，并且鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的阻抗明顯小于碳纖維/滌綸刺繡電極，在約6 h后，碳纖維/滌綸刺繡電極與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的阻抗值越來越接近，因此，從長期監測心電信號的角度來說，碳纖維/滌綸刺繡電極可用于長期監測ECG信號。

2.3 生理信號的評價

使用粘貼式參照電極與2種刺繡電極在自組裝的可穿戴心電采集系統采集到ECG信號如圖8所示。

根據實驗方法中對采集到的心電信號進行評價，結果見表3。可知，對比凝膠電極與刺繡電極采集到的心電信號，各電極的特征波均明顯出現，3種電極采集到的心電圖均具有良好明顯的波形，但2種刺繡織物電極的R-波振幅比凝膠電極略低，凝膠電極與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的心電信號穩定時間短，碳纖維/滌綸刺繡電極的信號穩定時間較長為12.3 s，凝膠心電電極的振幅變化最小，心電信號最穩定。

相比于凝膠參照電極，刺繡電極的心電圖波形良好，但在振幅、穩定時間等其他方面仍有所差距，這可通過調整具體的刺繡電極制備工藝(如增加導電絲的含量，變化電極片的密度等)來實現進一步優化。2種刺繡織物電極中，碳纖維/滌綸刺繡電極的心電信號質量與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極相近，評分分別為7、8。雖然碳纖維/滌綸刺繡電極的信號穩定時間較長，但這在長時間采集心電過程中所占的時間比例是很小的，并且該刺繡電極在采集心電信號中表現出良好的心電圖質量，因此碳纖維/滌綸刺繡電極采集的心電信號能滿足日常醫療診斷的需求。

3 結 論

本文基于刺繡工藝開發了一種可實現長期監測心電信號且滿足醫療生物兼容性要求的新型刺繡織物心電電極，并使用一套自組裝的可穿戴帶式心電監測服裝采集到了滿足日常醫療診斷需求的心電圖。實驗通過將制備的碳纖維材料的刺繡電極與金屬鍍層材料(鍍銀錦綸)制備的刺繡電極對比，對比測試2種不同電極的電學性能，采集心電信號的能力以及生物兼容性，得出以下結論。

1)鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的電學性能優于碳纖維/滌綸刺繡電極，但在長期監測心電信號中，碳基電極的阻抗變化與鍍銀電極相近，2種刺繡電極均能滿足長時間的心電信號監測的要求。

2)對比市面上的粘貼式凝膠電極，2種刺繡電極采集的心電圖各特征峰明顯，采集心電信號的能力均能滿足日常醫療診斷的需求。

3)鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極表現出很強的細胞毒性，而制備的碳纖維/滌綸刺繡電極基本沒有細胞毒性，具有良好的生物相容性，可應用于醫療級織物電極的制備。