縦、横、斜めへの伸縮性と透湿性を兼ね備えた導電性生体電極を開発東工大

東京工業大学生命理工学院の藤枝俊宣准教授らの研究チームは2024年6月20日、伸縮性と透湿性、自己接着性を兼ね備えた表面筋電位測定用の生体電極を発表した。膜厚300－400nmのエラストマー薄膜の片側上に、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）からなる繊維状の導電材料を薄く塗布した繊維ネットワークを形成している。

市販の装置や、これまで研究や開発されてきた装着型生体電極は、硬質で伸縮性に乏しく、水蒸気を透過しないため、皮膚への適合性が十分とは言えなかった。そのため、身体動作に伴う皮膚の変形を拘束せずに伸縮でき、湿度透過性を有し、皮膚表面の凹凸や柔らかさに接着剤なしでなじむような、装着型生体電極の開発が求められていた。

研究では、皮膚への密着性や伸縮性、透湿性、電気伝導性のバランスを取るため、導電層として疎水性のSWCNTからなるナノ繊維ネットワーク構造、ネットワークの支持層としてエラストマー超薄膜を用いた二層構造の導電性伸縮超薄膜を開発した。

今回、グラビアコート法により、約360nmの厚みを持つエラストマー超薄膜を作製。SWCNTを含有した水性インクを超薄膜上に、同コート法を用いて塗布し、乾燥させる工程を3回繰り返して、層の平均厚み約70nmのSWCNTナノ繊維ネットワークを形成させ、導電性伸縮超薄膜を作製している。

この超薄膜のシート抵抗値は、導電性高分子PEDOT:PSSを用いた従来の導電性超薄膜と同程度の0.6kΩ sq^-1 だった。また、作製した導電性伸縮超薄膜はPEDOT:PSSを塗布したもの（弾性率298MPa、切断伸度22％）よりも柔らかく、伸びやすかった（弾性率86MPa、切断伸度386％）。

（a）皮膚上に貼付した導電性伸縮超薄膜の外観写真と（b）SWCNT繊維状ネットワークの顕微鏡観察画像、（c）透湿性の概念図

透湿性は、支持体としての濾紙（桐山濾紙）に、210nmの膜厚を有するエラストマー超薄膜を貼り付けて測定した際、水蒸気透過率が濾紙自体の透過率に匹敵する値である6198gm^-2（2h）^-1を示した。これは、超薄膜が高い水蒸気透過率を持つことを意味している。

SWCNTを塗布した導電性伸縮超薄膜（濾紙に貼付した状態）は、5183gm^-2（2h）^-1、導電性伸縮超薄膜自体の水蒸気透過率を計算すると28316gm^-2（2h）^-1となり、人間の表皮の水蒸気透過率204±12gm^-2（2h）^-1よりも値が二桁程度大きく、導電性伸縮超薄膜が透湿性にも優れることがわかった。

（a）導電性伸縮超薄膜のシート抵抗値、（b）作製した超薄膜の引張試験結果（応力－ひずみ曲線）

超薄膜の水蒸気透過率の膜厚依存性

右腕前腕に接着剤なしで、この導電性伸縮超薄膜を貼付して、表面筋電位測定ユニットと接続し、右手にトレーニング用のグリッパーを把持して5秒ずつ「握る」と「解放する」を5回繰り返した結果、市販ゲル電極に匹敵する信号／ノイズ比（SNR）を示した。これにより、生体電極として使用できることがわかった。

今回の研究により、エラストマー層が高い伸縮性を示すだけでなく、SWCNT繊維ネットワークの導電層は、みかん販売用の網袋（みかんネット）のように縦、横、斜めに原型の最大400％まで変形できることがわかった。生体電極に求められる伸縮性を損なわず、一般的な濾紙よりも透湿性が5倍ほど高いため、装着者に違和感を与えにくい。生体筋の活動状態をリアルタイム、長時間測定するスポーツ科学や介護分野への応用が期待される。

開発した生体電極は、一般的なロール・ツー・ロールプロセスを用いて製造できるため、将来的な大量生産にも適している。今後、さらに電極の性能（SNR）を高めるために、皮膚と電極の界面の電気化学インピーダンスの低減を目指す。

縦、横、斜めへの伸縮性と透湿性を兼ね備えた導電性生体電極を開発　東工大