超疏水纸基石墨的心电电极片及其制备方法和使用方法

1.本发明涉及心电图电极片，尤其涉及一种超疏水纸基石墨的心电电极片及其制备方法和使用方法。


背景技术：

2.心血管疾病一直是人类的健康威胁，随着生活节奏的加快，越来越多的人患有心脏疾病。心血管疾病具有阵发性的特征，心电图作为衡量心脏健康的最有效方法之一，所以长期的心电监测具有重要意义。现在的大部分电极都使用昂贵的材料和复杂的制作工艺。例如制造过程通常与旋涂、光刻和沉积相关。另外大多数电极所使用的聚合物基底都需要数百年才能在自然环境中降解。用于采集的电极应该为一次性的，可以降低感染的风险，这也会导致电子废物的大量积累。如今广泛应用于心电图测量的是银/氯化银电极和金属电极，但是银/氯化银电极中的电解质在使用中容易变质，而且金属电极在使用时无法与皮肤形成良好接触，导致心电监测结果较差。大多数采集心电的电极贴片都时利用氯化银等固态金属和各种稀有材料，制备过程比较繁琐，需要封装。另外当人体表面有水等液体时，电极贴片都会失去粘性，从而使接触阻抗降低。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种超疏水纸基石墨的心电电极片及其制备方法和使用方法。
4.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种超疏水纸基石墨的心电电极片，包括绝缘区、电极区和疏水层，所述绝缘区为石墨没有划写到的纸基部分，所述电极区为在纸基上的通过铅笔划写形成的蛇形石墨导电层，所述疏水层附着在绝缘区和电极区表面的疏水气相二氧化硅颗粒层。
5.根据上述技术方案，优选地，所述电极区设有沿直线方向延伸出的导线连接区。
6.一种超疏水纸基石墨的心电电极片的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：在纸上打印蛇形电极的轮廓，通过铅笔在所述蛇形电极的轮廓中多次划写的方式在所述纸上形成导电层，得到纸基石墨的心电电极片；将所述纸基石墨的心电电极片浸入到疏水气相二氧化硅乙醇溶液，再通过干燥得到超疏水纸基石墨的心电电极片。
7.根据上述技术方案，优选地，所述疏水气相二氧化硅乙醇溶液的制备方法为将疏水气相二氧化硅粉末溶解到无水乙醇中，经过十分钟超声获得稳定的疏水气相二氧化硅悬浮液。
8.根据上述技术方案，优选地，采用50mg/ml疏水气相二氧化硅乙醇溶液。
9.一种超疏水纸基石墨的心电电极片的使用方法，将权利要求1或3中任一一项所述的一种超疏水纸基石墨的心电电极片通过甲基纤维素溶液粘贴到皮肤上。
10.根据上述技术方案，优选地，所述甲基纤维素溶液的制备方法为将甲基纤维素粉
末溶解到水中，经过十分钟超声后静置一个小时获得甲基纤维素溶液。
11.根据上述技术方案，优选地，采用30mg/ml的甲基纤维素溶液。
12.本发明的有益效果是：本发明制备的电极片无需使用固态金属和导电凝胶就可以进行高精度记录心电信号，简化工艺，相比于传统的氯化银电极制备更加容易，简便，快速。而且无需使用粘性胶带就可以与皮肤良好结合。工艺过程简单，制作成本低就能达到传统氯化银电极的检测水平。另外由于疏水化处理，可以避免汗液和污染物对于信号质量的影响。在未来的电极市场尤其是长期心电监测和运动健康管理等方面具有很广泛的应用前景。
附图说明
13.图1示出了本发明的实施例的超疏水纸基石墨的心电电极片的正视结构示意图。
14.图2示出了本发明的实施例的超疏水纸基石墨的心电电极片的侧视视结构示意图。
15.图3示出了本发明的实施例的电极片连续十分钟记录人体心电信号图。
16.图4示出了本发明的实施例的超疏水纸基石墨的心电电极片与传统的氯化银电极分别记录心电信号的对比图。
17.图5示出了本发明的实施例的超疏水纸基石墨的心电电极片测量人体跑步时的心电信号图。
18.图中：1、绝缘区；2、电极区；3、疏水层。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
20.实施例1：如图1和2所示，一种超疏水纸基石墨的心电电极片，包括绝缘区1，电极区2，疏水层3。绝缘区1为纸基底，使用商用复印纸，是一种成本低廉、具有高柔韧性和透气性的基底，在自然条件下六周左右可以降解，对于环境没有污染。电极区2设置于绝缘区1的表面。电极区2是由9b铅笔经过十五次划写形成，由于纸纤维的粗糙性在划写过程中铅笔中的石墨颗粒与粗糙的纸张进行摩擦导致石墨颗粒被转移到纸上形成高导电石墨层。电极区2分为两部分：一部分是与皮肤贴合的电极区域，采用线宽为1mm的蛇形形状，既可以有效防止形变带来的电性能的变化，也可以与皮肤完美的贴合；电极区2的另一部分设有一个与导线连接的正方形区域，宽度为4mm，监测心电时将导线与正方形区域连接，之后再连接到监测设备上。在电极区2表面上设置所述疏水层3，疏水层为疏水气相二氧化硅颗粒形成的膜，不影响石墨电极的导电性，可以使石墨颗粒嵌入粗糙的纸面上，可以进行反复的使用。
21.上述的超疏水纸基石墨的心电电极片的制备方法如下：（1）在a4尺寸复印纸上按照尺寸打印出蛇形电极的轮廓，将纸按照尺寸裁剪下来。
22.（2）使用9b铅笔在步骤（1）得到的纸上将石墨经过十五次划写在轮廓中形成具有高导电性的导电层。
23.（3）制备50mg/ml疏水气相二氧化硅乙醇溶液，将疏水气相二氧化硅粉末溶解到无
水乙醇中，经过十分钟超声获得稳定的疏水气相二氧化硅悬浮液。将步骤（2）制备好的电极浸入到疏水气相二氧化硅乙醇溶液中，并在50℃下重复干燥制备超疏水的纸基石墨电极。
24.上述的超疏水纸基石墨的心电电极片的使用方法如下：制备30mg/ml的甲基纤维素溶液，将甲基纤维素粉末溶解到水中，经过十分钟超声后静置一个小时获得甲基纤维素溶液用作粘性介质，通过甲基纤维素溶液将上述的超疏水纸基石墨的心电电极片粘贴在人体皮肤上。
25.如图3所示，通过上述超疏水纸基石墨的心电电极片，连续十分钟记录的人体心电信号，信号稳定，选择区域放大也可以看到辛心电信号波形稳定，可以明显区分特征波。
26.实施例2：本实施例与实施例1的区别是测试时人体的状态不同，本实施例是在人体运动状态下进行测试的。运动状态下对于电极的导电性和黏附性的要求比较高。如图5所示，信号质量略微下降，这是由于运动产生的运动伪影，但还是可以明显区分特征波，完全可以达到运动时监测心率的要求。
27.对比例如图4所示，本对比例是与传统的氯化银电极进行对比，测量时状态与实施例1相同，都为静止状态。如图3所示，与传统氯化银电极对比，信号波形都大致相同。但信噪比要明显优于传统的氯化银电极，达到40db。
28.本发明的有益效果是：1.制造方法简单，成本低。纸张在六周内实现自然分解，不产生有害物质造成环境污染。纸基底使得电极片具有高柔韧性和透气性，可以弯曲并与皮肤完美贴合。
29.2.与传统的氯化银电极相比采集到的心电信号质量更好。通过上述实施例和对比例可以看出，常用的氯化银的信噪比大约为33db，而使用本发明的电极信号的信噪比为40db。
30.3.本发明制备的电极片可以重复使用。在低频条件下的阻抗低于传统的氯化银电极，经过一千次以上的弯折电极片的电阻几乎不变，制备超过60小时电阻依然不会有变化。由于采用蛇形结构使得电极在应对机械形变时电性能非常稳定，在形变时电阻几乎不发生变化。
31.4. 本发明制备的电极片具有超疏水性能，电极片的疏水性受到浸入疏水气相二氧化硅和无水乙醇溶液次数的影响。当第一次浸入后，经过50℃干燥十分钟发现疏水角由90
°
增加到105
°
，虽然已经达到了疏水的特性，但远远没有达到超疏水（疏水角达到150
°
以上）的特性。当第二次浸入到疏水气相二氧化硅悬浮液中后，再次经过50℃干燥十分钟后疏水角105
°
增加到152
°
达到超疏水的性能。之后再次浸入后干燥后疏水角维持在150
°
以上并没有显著增大，这是由于在第二次浸入干燥后，电极表面已经基本覆盖了疏水气相二氧化硅粒子，防水涂膜已经形成，在电极表面形成的结构已经区趋于稳定，纸基电极片由亲水特性转换为疏水性。在电极获得超疏水特性后会使电极具备自清洁的功能，当纸基电极片表面沾上泥污等污染物时，可以使用水等液体将表面的污染物清理掉，避免由于纸张吸附污染物使电极的导电性能下降。在长时间检测的条件下，由于需要一直佩戴电极，会存在进食的情况，当食用或引用的东西掉到电极上会腐蚀影响其电性能，但经过疏水处理后，日常的液体不会对电极造成影响，这极大满足了日常长时间监测的需要。另外经过疏水处理后电
极可以有效防止汗液对于信号的质量的影响。人体在运动或者是感觉到热时都会由皮肤排出汗液，汗液会导致电极与皮肤之间的附着力下降。电极区域的石墨导电层是利用铅笔划写上去的，是与皮夫直接接触，汗液的存在也会导致石墨颗粒的脱落，使得电极区域的电阻变大，接触阻抗变大从而影响信号质量。当使用疏水气相二氧化硅悬浮液两次浸入干燥处理后，会降低汗液对与电极表面导电层的影响，使导电层存在一层保护膜，将石墨颗粒稳固在纸基的表面，是的接触阻抗几乎不变，信号的质量也几乎不受影响。当使用疏水处理后的电极与没处理的电极在皮肤上存在汗液时的情况采集到的心电信号进行对比，信号质量大大提高。
32.5.本发明的制备方法中电极与皮肤使用的粘性物质为30mg/ml的甲基纤维素溶液。因为纸基电极不具备粘性，当皮肤与电极接触时接触不完全会影响接触阻抗从而影响采集到的信号质量。传统的商用氯化银电极使用胶带粘在皮肤上，并使用导电凝胶与皮肤良好接触。这里的弊端在于胶带长花间贴附会导致皮肤过敏，其中的导电凝胶也会由于长时间的使用导致变质从而使皮肤发生红肿现象。甲基纤维素具有很好的生物相容性，涂在皮肤上不会使皮肤产生过敏现象。它本身具有很好的粘性，贴在皮肤上风干后，会提供一个很大的黏附力。良好的黏附力使得电极在人体表面牢牢地贴附，可以采集运动状态下的心电信号。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。