CN108471971B - 用于生物医学电极的金属圈及其制备方法 - Google Patents

用于生物医学电极的金属圈及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于制备生物医学电极(例如，心电图(ECG)电极)的金属圈的方法，所述方法涉及：热压热塑性或弹性导电树脂以制备具有金属圈幅材的膜，每个金属圈具有从所述膜的第一面突出的柱形件和位于所述膜的第二面处的凸缘；将不可极化的导电材料(例如，含银材料)的涂层施加到所述凸缘的接触面上；以及，切割所述膜以制备从所述幅材分离的所述金属圈。优选地，所述方法涉及挤出复制。本发明提供了一种用于生物医学电极的金属圈幅材，所述金属圈幅材具有热塑性或弹性导电树脂膜，其具有从所述膜的第一面突出的多个柱形件，并且优选地在所述膜的第二面上具有不可极化的导电材料层。所述方法可以是一步式连续方法，该方法比当前的商业方法更便宜并且更简单。

Description

用于生物医学电极的金属圈及其制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2015年12月22日的美国临时专利申请No.62/270,672的优先权，该临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
本申请涉及医疗装置，具体地涉及医疗电极及其部件以及制备医疗电极部件的方法。
背景技术
医疗ECG电极的基本功能是充当将身体的离子电位转换为电信号的半原电池，该电信号可显示为输出。当前的生物医学电极使用与离子导电凝胶接触的银涂覆的金属圈来追踪心跳信号。金属圈通常通过注模玻璃填充或碳纤维填充的ABS树脂来制备。在金属圈的整个表面上涂覆银之前，该金属圈还经历了许多其他步骤。该制备方法制备尺寸稳定的金属圈，但是由于注模过程而需要许多步骤。此外，由于注模过程，金属圈以分立的方式制备和处理。由于该过程，选择仅选择性地对金属圈的一面而非所有表面进行涂覆银变得困难。这种均匀的涂层对于玻璃填充的金属圈而言是必不可少的，这样可以使它们具有导电性，但如果金属圈本身具有导电性，则不是如此。使用当前的制造工艺，需要许多步骤来制备成品金属圈。
发明内容
仍然需要以更少的步骤制造用于生物医学电极的金属圈的更简单的方法。
提供了一种用于制备生物医学电极的金属圈的方法，该方法包括：热压热塑性或弹性导电树脂以制备包括金属圈幅材的膜，每个金属圈包括从膜的第一面突出的柱形件以及位于膜的第二面处的凸缘；将不可极化的导电材料的涂层施加到凸缘的接触面上；以及切割膜以制备从幅材分离的金属圈。
还提供了一种用于生物医学电极的金属圈幅材，该金属圈幅材包括：热塑性或弹性导电树脂膜，其具有从膜的第一面突出的多个柱形件；以及位于膜的第二面上的不可极化的导电材料层。
还提供了一种金属圈幅材，该金属圈幅材包括：热塑性或弹性导电树脂膜，其具有形成于其中的多个金属圈，每个金属圈包括从膜的第一面突出的柱形件以及位于膜的第二面处的凸缘。
还提供了一种生物医学电极，该生物医学电极包括通过上述方法制备或者从上述金属圈幅材切割下来的金属圈。
该方法允许快速且连续地制备金属圈，其中不可极化的导电材料仅存在于金属圈的接触面上，从而降低了成本并且简化了生产线。此外，该方法允许将不可极化的导电材料热嵌入到接触面中，从而增加不可极化的导电材料层的稳健性，并且可以利用来自熔融处理的导电树脂的热量来干燥并烧结印刷的银墨层开口，油墨印刷作为将不可极化的导电材料施加到金属圈的接触面上的可行方法。在一个实施方案中，与常规模制方法相比，使用挤出复制从导电树脂形成金属圈幅材使得树脂基质中具有期望的纤维取向，从而提供更好的电信号电传导。
附图说明
图1描绘了用于从热塑性或弹性导电树脂制备用于ECG电极的金属圈幅材的挤出/压延布置，其中利用与挤出机和压延机辊内嵌的喷墨涂覆机将银墨施加到幅材面。
图2描绘了用于从热塑性或弹性导电树脂制备用于ECG电极的金属圈幅材的挤出/压延布置，其中在从预制备的固体含银膜形成幅材的同时将含银材料层施加到幅材面。
图3描绘了用于从热塑性或弹性导电树脂制备用于ECG电极的金属圈幅材的挤出/压延布置，其中在形成幅材的同时将含银材料层作为液体银墨施加到幅材面。
图4描绘了可通过用于制备金属圈幅材的方法制备的金属圈幅材的一个实施方案。
图5描绘了可通过用于制备金属圈幅材的方法制备的金属圈幅材的另一个实施方案。
图6描绘了从塑料片材冲压出的金属圈柱形件图案的示意图，该塑料片材包在压延机辊上从而使得能够在挤出的导电树脂膜上形成柱形件。
图7描绘了包括通过本发明的方法制备的金属圈的生物医学电极的一个实施方案。
具体实施方式
提供了用于制备用于生物医学电极的三维金属圈部件的制造方法。与需要许多步骤的传统过程相比，金属圈可以以连续的方式以更少的步骤(例如，一个步骤)利用不可极化的导电材料挤出、形成和涂覆。该过程可根据所需电极性能被设计为满足不同的金属圈导电率和尺寸。
热塑性或弹性导电树脂可包括适用于电极的任何树脂。树脂可包括热塑性树脂、弹性树脂、它们的共聚物或它们的任何共混物或混合物。一些具体示例包括聚烯烃(例如，聚丙烯诸如低密度聚丙烯)、聚丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)树脂等。树脂可包括聚合物工业中常用的添加剂。为了在电极中使用，期望通过使用固有导电的聚合物并且/或者通过将一种或多种导电填充剂分散在树脂基质中来赋予树脂本体导电率。固有导电聚合物的一些示例包括掺杂聚烯烃、聚噻吩、聚吡咯等。导电填充剂的一些示例包括金属(例如，镍、铁等)、导电含碳材料(例如，石墨、聚丙烯腈(PAN)、碳纤维、炭黑、纳米石墨片或上面列出的固有导电聚合物的粒子)。优选的是导电含碳材料。导电填充剂可以是大致球形、薄片、纤维或它们的任何混合物的形式。特别优选的是纤维。导电含碳填充剂可以以任何合适的量分散在树脂基质中，所述合适量的导电含碳填充剂可以提供期望的电气性能，同时保持热塑性或弹性导电树脂的可加工性。对于许多应用，基于热塑性或弹性导电树脂的总重量计，约20至60重量％范围内的导电填充剂的量可能是合适的。在优选的实施方案中，导电填充剂的量可以控制在约25至50重量％或约30至40重量％的范围内。
树脂优选地具有足够高的熔体流动指数以促进熔融加工，尤其是挤出，即使在大量填塞导电填充剂的情况下。可采用任何合适的熔融加工方式来提供热塑性或弹性导电树脂。例如，树脂可在挤出机(例如，单螺杆或双螺杆挤出机)中，在捏合间歇式搅拌器中或类似机器中混合，然后直接递送至热压。另选地，树脂可以以适用于形成渗透网络的任何方式使用一种熔融加工技术预混合，然后使用另一种技术递送至热压。在一个实施方案中，树脂可以在挤出机中混合并直接挤出到热压，尽管树脂在挤出/模制时不需要在挤出机中混合。
将导电树脂的挤出或其他熔融加工与热压结合以形成导电树脂膜。例如，热压可包括任何合适的方法，例如使用压缩压机或压延机辊进行压缩压制或压延。特别优选的是使用压延机辊压延。在形成膜的同时，可在膜上或膜内形成适当的金属圈特征结构(例如，柱形件、凸缘等)以提供在单个膜上或膜内整体形成的金属圈幅材。通过将一个或多个压板或压延机辊加工成期望的尺寸，可以在形成膜的同时将特征结构转移到膜上。例如，一个或多个压板或压延机辊中的腔将提供从膜突出的柱形件或其他突起。腔周围的埋头锥孔将在柱形件的基部或幅材中的其他突起周围形成圆盘。一个或多个压板或压延机辊上的凸起元件将在幅材中提供较薄的区域，该区域可用于减少需要切割以制备单个金属圈的幅材的厚度。在形成膜的同时提供膜内的特征结构消除了稍后加工金属圈以制备相同特征结构的需要。
金属圈可以以任何合适的图案设置在幅材上并且可以以任何合适的间距间隔开。例如，金属圈可以以随机图案或重复图案(例如，行)设置在幅材上。当金属圈以相对于幅材的长轴的纵向行设置时，金属圈的纵向行可以彼此横向对准或彼此交错。优选地，幅材上的金属圈的图案被设计为通过切割技术(例如，模切)促进金属圈的分离并且/或者在金属圈与幅材分离之后减少过量树脂(梯状物)的量。
用于在膜中提供金属圈特征结构的一种热压技术被称为挤出复制，其在于2005年7月19日授权给McCutcheon等人的美国专利No.6,919,504中进一步描述，该专利的内容以引用方式并入本文。简而言之，当剩余的挤出导电树脂滴涂到压延机辊的辊隙中时，树脂被推入腔和/或在一个或多个辊中加工的周围特征结构中，并凝固成以期望的图案间隔开的具有期望形状的多个特征结构的膜。与制备分立部件相反，形成了单个树脂膜上的部件幅材。为了制备金属圈，其中一个辊可加工有腔，而另一个辊保持平滑或具有在其中加工的其他特征结构，这会形成在第一面上具有多个柱形件并且第二面平滑或包括其他特征结构的膜。每个柱形件表示单个可能的金属圈，并且可以通过涂覆膜的第二面基本上同时利用不可极化的导电材料涂覆所有可能的金属圈，由此涂覆与每个柱形件相关联的相应凸缘的接触面。因此，通过本发明的方法，仅在金属圈的接触面上施加不可极化的导电材料变得容易得多。然而，在一些情况下，期望在金属圈与幅材分离之后涂覆金属圈的接触面。
挤压复制以形成金属圈幅材使得使用各种涂层技术将不可极化的导电材料施加到金属圈幅材变得可能。涂层技术可包括例如油墨印刷(例如，丝网印刷、喷墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、胶版印刷、喷刷、气溶胶印刷、排版等)、同时供给预涂覆的膜或衬垫，以将不可极化的导电材料转移到树脂膜、将不可极化的导电材料的粒子或涂覆有不可极化的导电材料的粒子热嵌入到幅材的第二面中、电镀、无电解电镀、溅镀、真空沉积、热沉积等。特别优选的是油墨印刷。此外，所使用的涂覆方法可选择性地将不可极化的导电材料仅涂覆在所需区域上，由于需要较少的不可极化的导电材料，因此降低了整体工艺成本，并且在优选的实施方案中，同时挤出和涂覆减少了工序从而降低整体工艺成本。
该方法足够灵活以适应各种不可极化的导电材料，包括油墨、经涂覆的粒子、纯净材料等。不可极化的导电材料优选地包括不可极化的导电含金属材料。含金属材料中的金属优选地包括银或铁。在一个优选实施方案中，不可极化的导电材料包括银墨、银涂覆的粒子、银金属等。由于挤出复制过程允许用于将不可极化的导电材料施加到膜上的多种方法，因此不可极化的导电材料可以以不同形式提供，例如液体、预成形膜等。
油墨包括通常利用粘结剂分散在溶剂中的粒子(例如，纳米粒子、薄片)。溶剂可包括水溶剂或有机溶剂(例如，苯、甲苯、乙苯、二甲苯、氯苯、二苄醚、苯甲醚、苯甲腈、吡啶、乙苯、丙基苯、异丙苯、异丁基苯、对异丙基苯、二氢化茚、四氢化萘、三甲基苯(例如均三甲苯)、均四甲苯、对异丙苯、二氢化茚、四氢化萘或它们的任何混合物)、并且粘结剂通常包括聚合物材料(例如，乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、氨基甲酸酯、硅氧烷、苯乙烯烯丙醇、聚亚烷基碳酸酯、聚乙烯醇缩醛、聚酯、聚氨酯、聚烯烃、氟塑料、含氟弹性体、热塑性弹性体或它们的任何混合物)。
利用不可极化的导电材料涂覆的粒子可以具有任何合适的组成、形状和尺寸。例如，粒子可包括玻璃、塑料树脂(例如，热固性或热塑性树脂)、石英等。优选的是玻璃粒子。所述粒子可以是实心或中空的。粒子可以是大致球形(例如，珠)、薄片、纤维等。粒子优选地具有约500μm或更小的平均尺寸，更优选地在约1至300μm的范围内，更优选地在约2至200μm的范围内。大致球形的粒子优选地具有约4至100μm范围内的平均粒径。薄片和纤维优选地具有约50至200μm范围内的最长尺寸，更优选地在约75至150μm的范围内。基于粒子的总重量计，粒子优选地包括约1至50重量％的银，更优选地约2至40重量％，更优选约4至30重量％。具有不同组成、形状和/或尺寸的粒子混合物可用于进一步控制电极的性能特性。
一些类型的电极需要部分转变为离子状态以便发挥作用的不可极化的导电材料组分，例如以便与不同的电解质凝胶相互作用。在不可极化的导电材料包括含金属材料的情况下，不可极化的含金属材料中的元素金属可被部分氧化。然后，不可极化的含金属材料将包括处于0氧化态的金属以及金属的一种或多种阳离子。在银的情况下，银可被预氯化以在含银材料中产生一些Ag+离子。在此类应用中，含银材料的涂层可被部分预氯化以在层中提供(Ag)和氯化银(AgCl)的混合物。银的氯化可通过任何合适的方法实现，例如通过使银与氯化剂反应。氯化剂包括例如亚氯酸(ClO2 -)。可将银氯化以提供银与氯化银的期望的比率，只要剩余的银足以提供期望的功能和性能即可。另选地或除此之外，市售的银/氯化银油墨可被涂覆到幅材的平滑部分上。这消除了氯化印刷银的需要，例如，如于1983年3月22日公开的美国专利No.4,377,170所描述的那样，该专利的内容以引用方式并入本文。就铁而言，铁可被部分氧化成铁(II)和用于平衡电荷的抗衡阴离子(例如，硫酸根离子)。铁(Fe)和亚铁离子(例如，以硫酸亚铁(FeSO4)的形式)的混合物将出现在层中。
此外，熔融加工树脂的余热可用于干燥和烧结油墨，从而不需要干燥烘箱和与其相关联的其他步骤，并且在热压过程中施加的压力有利于将油墨粘附到膜上。来自熔融加工的余热和来自热压的压力可用于将涂覆有不可极化的导电材料的粒子热嵌入到仍旧软的树脂膜中，以形成锚定到膜的涂覆有不可极化的导电材料的粒子层。在这两种情况下，在该过程中利用余热和压力都会增加涂层的稳健性。
可通过切割，优选地通过模切来将各个金属圈与金属圈幅材分离，也可以采用任何切割方法。可以在幅材形成之后过程中的任何时间分离金属圈。例如，可将不可极化的导电材料施加到膜的第二面上，然后切割膜以产生分离的金属圈，其中每个金属圈的凸缘包括涂覆有不可极化的导电材料的接触面，并且每个金属圈的柱形件未涂覆有不可极化的导电材料。另选地，可切割膜以产生不含不可极化的导电材料的金属圈，该金属圈包括柱形件和具有接触面的凸缘，然后将不可极化的导电材料施加到凸缘的接触面上。在一个优选的实施方案中，在将不可极化的导电材料施加到膜上之后，将金属圈与幅材分离。然而，可以切割未涂覆有不可极化的导电材料的金属圈幅材以产生未涂覆有不可极化的导电材料的单个金属圈，每个金属圈具有柱形件和具有接触面的凸缘，然后将不可极化的导电材料施加到接触面以及金属圈的任何其他期望的部分。在切割之前施加不可极化的导电材料更简单，提供了更精简并且成本效益高的方法。然而，如果切割边缘太粗糙或者包括太多碎屑，则在分离金属圈之后施加不可极化的导电材料可能是有利的，因为可以在不去除不可极化的导电材料的涂层的情况下实现如滚动抛光或去除毛刺的另选方法。此外，分离幅材还可以减少不可极化的导电材料的浪费，因为在切割之后涂覆将仅在接触面本身上提供不可极化的导电材料，而不会在将被切割和去除的材料(即梯状物)上提供不可极化的导电材料。通过不在梯状物上施加不可极化的导电材料，不可极化的导电材料的成本将下降，这在不可极化的导电材料包括含银材料时特别有用。然而，减少不可极化的导电材料的量也可以通过在切割之前将不可极化的导电材料图案涂覆在幅材的第二面上来实现。另选地，可分离并收集金属圈用于后续涂覆(诸如用于电镀)或将它们用于不需要涂覆有不可极化的导电材料的金属圈的电极构造。
在导电树脂中分散有纤维导电填充剂的情况下，挤出复制过程有利地将树脂中的纤维沿平行于膜表面的方向取向。由于金属圈由幅材制成，位于接触面边缘处的纤维垂直于边缘(平行于接触面)取向。此外，在由于压延机辊中的腔而形成柱形件的情况下，大部分柱形件中的导电纤维垂直于膜的平面(即，平行于柱形件突出的方向)取向。与由其他使大部分柱形件中的纤维随机取向的模制工艺(诸如注模)形成的金属圈相比，以上述方式对纤维进行取向可提供一些电气益处(例如，增强渗滤和/或重叠)。
通过改变输入树脂、压板或压延机辊以及银层厚度，可提供很大程度的灵活性以快速为产品系列定制金属圈。例如，高端电极可以具有较高导电率的树脂和较厚的不可极化的导电材料层，而低端电极可以由较低导电率的树脂和较薄的不可极化的导电材料层形成。除了生产用于标准生物医学电极类型的金属圈之外，还可以在此方法中制造具有新的尺寸和几何形状的金属圈，其可能需要也可能不需要当前的配合保持螺柱。可利用该方法制备任何类型的生物医学电极，例如监测ECG电极、静止(突片)ECG电极等。
参考图1，示意性地示出的方法的一个实施方案示出了包括挤出机101的双辊模制设备100，该挤出机具有适于将一个或多个熔融导电树脂层110挤出到两个压延机辊120,130之间的辊隙111中的挤出模头105。代替挤出模头，可以使用用于将熔融导电树脂从挤出机输送到辊隙的任何合适的结构，例如简单的管件或不同种类的模头。压延机辊130是模具辊并且压延机辊120是与模具辊130相对的辊。模具辊130在其外圆柱表面上具有用于在树脂110经过模具辊130的圆柱表面时转移至熔融树脂110的期望表面图案。模具辊130的表面具有多个适于形成多个柱形件170的布置的腔160。腔160可根据需要布置、设定尺寸和成形以从导电树脂110形成合适尺寸和形状的柱形件170。模具辊130可与相对的辊120一起旋转形成辊隙111。辊隙111有助于使熔融树脂110流入模具辊上130上的腔160。辊隙111的宽度可被调节以协助形成幅材180的所选择的厚度。辊120,130的温度可被独立地和选择性地控制以实现对树脂110期望的冷却。
在制作模具辊130以形成柱形件170时，模具辊130的腔160可以以任何合适的方式形成，诸如化学、电学和机械加工或成形方法中的一者或多者。示例包括钻孔、机加工、激光钻孔、电子束钻孔、水射流加工、铸造、蚀刻、模冲、金刚石车削、雕刻压花纹等。另选地，腔160可以通过在模具辊130周围提供适当图案化的外部聚合物包裹物来形成。模具辊130的表面还可包括位于其上的剥离涂层，其被选择用于促进从模具辊130释放幅材180。熔融树脂110流入模具辊130和腔160可通过在相对辊120与模具辊130之间施加压力，通过熔融树脂110的温度，通过辊隙111中的树脂110的量，通过与腔160的线速度相结合的挤出机流率并且/或者通过在施加树脂110之前抽空腔160来控制。
在熔融树脂110已被涂覆在腔160中以及模具辊130的表面上之后，树脂被冷却至硬化并在其上形成具有期望的外表面外形(例如柱形件170)的幅材180。幅材180随后与模具辊130分离。幅材180在冷却和硬化时通常会略微收缩，这有利于幅材180从模具辊130的释放。部分或整个模具辊130可被冷却以有助于硬化幅材180。冷却可以通过任何已知方式直接或间接实现，诸如使用水、空气、其他热传递流体或其他冷却方法。通过在喷墨印刷工位190处进行喷墨印刷，可将油墨(例如，银墨)施加到幅材180的与具有柱形件170的表面相对的表面。
参考图2，示意性地示出的方法的另一个实施方案示出了与图1所描绘的设备100类似地工作的双辊模制设备200，不同之处在于在幅材180上涂覆含银材料与幅材180的形成同时完成。预制备的固体含银膜201(例如，包括粘附到其上的银涂覆的粒子涂层或印刷在其上的银墨的衬垫)与熔融树脂110一起穿过熔融树脂进料与相对辊120之间的辊隙111。在压延机辊120,130的压力下，含银材料在幅材180形成时从含银膜转移至幅材180的平滑面。柱形件170形成在幅材180与模具辊130接触的相对面上。使用包括进料辊205和摄入辊206的辊到辊装置通过辊隙111将预制备的固体含银膜201送入，在将含银材料转移到幅材180之后，摄入辊206卷起无银膜201a。该实施方案允许在一个步骤中仅在金属圈的一侧上连续形成和银涂覆金属圈幅材。
参考图3，示意性地示出的方法的另一个实施方案示出了与图2所描绘的设备200类似地工作的双辊模制设备250，不同之处在于在柔性版印刷工位265处通过将液体油墨柔性版印刷到相对辊120上来实现在辊隙111处将不可极化的导电材料(例如，含银材料)涂覆到幅材180上。在幅材180形成于辊隙111中时，将油墨从相对辊120转移到幅材180。以这种方式施加液体油墨提供了如图2所示的转移干燥的预印刷膜的所有益处，而不使用和处理衬垫。液体油墨干燥/烧结并成为固体，热嵌入层全部在辊隙111处。除了图3所示的将油墨柔性版印刷到相对辊120上，可以使用其他印刷技术，例如喷墨印刷、丝网印刷或喷涂印刷。
一旦金属圈幅材180已经形成并涂覆有不可极化的导电材料，各个金属圈可以通过在切割工位175处切割从幅材分离、检测和测试，并且包装交付或组装成电极。切割可以在检测和/或测试之前或之后执行。
图1、图2和图3示出了方法，其中相对辊120是平滑的从而产生幅材180平滑的第二面，并且模具辊130仅具有被设计成在幅材180的第一面上形成简单的柱形件170的腔160。然而，在其他实施方案中，相对辊和模制辊中的一者或两者可包括在其中加工的其他特征结构以形成各种其他期望的金属圈特征结构。例如，进一步参考图4，围绕腔160从模具辊130加工出的埋头锥孔将形成幅材181，其包括围绕幅材181的第一面上的柱形件170的基部的圆盘171，从而消除了稍后加工金属圈以产生相同特征结构的需要。在另一个示例中，进一步参考图5，相对辊120可包括加工特征结构以提供第二面上的最后一个金属圈的部分183，而不需要进一步切割幅材182以提供部分183。这减少了幅材182的整体厚度以及需要切割以产生单个金属圈的幅材的厚度。在幅材的第二面上产生特征结构的情况下，如图2所示，在幅材形成期间使用实固体衬垫来施加不可极化的导电材料(例如，含银材料)由于不平滑的第二面可能产生问题，但如图1所示，在幅材形成之后将不可极化的导电材料作为液体施加仍然是可行的。
金属圈可以与其他电极部件一起组装成电极，尤其是用于心电图(ECG)的电极。电极可以是其中可应用涂覆有不可极化的导电材料的表面的任何类型的电极，例如监测ECG电极、静止(突片)ECG电极、肌电图(EMG)电极、经皮神经电刺激(TENS)电极以及类似电极。具体地讲，ECG电极包括金属圈和一个或多个其他部件，包括例如导电凝胶或粘合剂、泡沫层、背衬、一个或多个螺柱和覆盖物。如上所述，金属圈包括接触面，通过该接触面接收来自受试者皮肤的电信号。为了增强受试者的皮肤与金属圈的接触面之间的电接触，电极还可包括充当金属圈与受试者皮肤之间的可贴合导电界面的导电凝胶或粘合剂。就导电粘合剂而言，粘合剂还有助于将电极固定到皮肤。在使用凝胶或粘合剂的情况下，电极可包括可移除覆盖物以在使用之前保护并容纳凝胶或粘合剂。围绕或吸收凝胶或粘合剂的泡沫层也可用于保护和容纳凝胶或粘合剂。在使用之前，覆盖物可被移除以暴露凝胶或粘合剂。电极还可包括位于金属圈远离银涂覆面层的一侧上的背衬。背衬可以为金属圈提供支撑和/或在不损坏金属圈和/或凝胶或粘合剂的情况下操作电极的方便位置。背衬可包括任何适当可处理的材料。聚合物背衬是优选的，因为它们具有用于抓握的结构强度、将电极贴合到受试者皮肤的柔韧性以及用于减少总重量的低密度的良好组合。金属圈包括与保持螺柱配合的一个或多个柱形件，该保持螺柱充当电引线可附接的引线端子，电引线将电信号带回输出装置。来自受试者皮肤的电信号穿过涂覆有不可极化的导电材料的面(或导电凝胶或粘合剂以及涂覆有不可极化的导电材料的面)，穿过包括导电树脂的金属圈本体，穿过一个或多个柱形件进入引线从而到达输出装置。在一些情况下，一个或多个导电螺柱(例如，由黄铜、不锈钢或类似物制成的导电螺柱)可覆盖一个或多个柱形件作为将背衬附接到金属圈的方式，但是电极不需要螺柱发挥作用。电极布置没有特别限制，并且金属圈可用于各种电极布置中的任何一种。
在用于制备涂覆有不可极化的导电材料(例如，含银材料)的电极的完整连续方法的一个实施方案中，根据本发明通过热压形成的金属圈幅材可推进到涂覆工位，其中例如通过涂覆膜的第二面将不可极化的导电材料涂覆到金属圈的接触面上。如果需要，涂覆工位还可包括用于干燥和烧结金属圈的接触面上的不可极化的导电材料的烘箱，或者可以在该过程的下游的烘箱中对不可极化的导电材料进行空气干燥和烧结。然后，涂覆有不可极化的导电材料的金属圈幅材可推进到背衬施加工位，其中可将背衬材料(例如，聚合物或泡沫片材)施加到膜的第一面，使得柱形件突出穿过背衬材料。然后，涂覆有不可极化的导电材料的背衬金属圈幅材可推进到电解质施加工位，其中使用电解质涂覆器利用导电凝胶或粘合剂对金属圈经涂覆的接触面进行进一步涂覆。在使用凝胶的实施方案中，为了有利于凝胶的保持，背衬材料优选地是其中具有凹腔的泡沫材料，在凹腔内容纳有金属圈。另选地，当使用薄腹板/带材作为背衬材料时，可以在金属圈顶部固定一片开孔吸收泡沫，以容纳凝胶。本领域已知各种合适种类的导电凝胶和粘合剂。然后，涂覆有凝胶或粘合剂的金属圈可推进到覆盖物施加工位，其中在金属圈的经涂覆的接触面的顶部上施加可移除的覆盖物以在抓握期间保护导电胶或粘合剂，并且提供用于凝胶的湿气保持的密封件。覆盖物可以通过任何合适的方法施加，例如通过从进料辊连续供给覆盖物并且利用压力辊将衬垫保持与膜的第二面接触。覆盖物可包括粘合剂层以增强覆盖物对膜的粘附。一些优选的覆盖物材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高抗冲聚苯乙烯和聚乙烯涂覆的纸。然后，覆盖的金属圈幅材可推进到螺柱装配工位，其中金属螺柱固定在柱形件上以帮助将金属圈紧固到背衬材料。在该实施方案中，在装配螺柱之前，所有的金属圈都容纳在连续幅材中。尽管可以在该过程的任何阶段完成金属圈从幅材的分离，但是该实施方案示出了在装配螺柱之后分离形成的电极，但是如果需要，可以在膜中形成金属圈之后的过程中的任何地方执行分离。分离在分离工位执行并且可以通过任何合适的方法执行，例如利用模切机进行模切。分离的电极推进到包装工位，其中电极可被包装并且/或者收集，例如放置在防潮袋中。
图7描绘了完全组装的电极471的实施方案的侧横剖视图。电极471包括通过螺柱404锚定在背衬材料406中的金属圈407，该螺柱装配在金属圈407的突出穿过背衬材料406的柱形件405上。金属圈407还包括具有涂覆有不可极化的导电材料(例如，含银材料)层409的接触面的凸缘403，并且该接触面是金属圈407的主表面，在电极471的使用过程中通过该接触面接收来自受试者的电脉冲。柱形件405延伸穿过背衬材料406，从凸缘403在背衬材料406的相对侧上延伸离开背衬材料406。与不可极化的导电材料层409接触的是导电凝胶432，其容纳在固定到背衬材料406的闭孔泡沫层437中的凹腔中的凸缘403处的电极471内。覆盖物441覆盖泡沫层437和泡沫层437中的凹腔，以保护并容纳导电凝胶432并保护泡沫层437上的皮肤粘合剂438层。
实施例
导电树脂的制备
通过使用双螺杆挤出机配混树脂基质和导电填充剂来制备用于金属圈制造的导电树脂。如果需要，可以对导电填充剂进行表面改性以使其易于分散并与树脂基质粘合。将导电填充剂以各种重量百分比添加到树脂基质中并测量导电率以确定约30重量％的导电填充剂足以用于低端金属圈，而高达约40重量％可产生匹配或超出当前商用金属圈的金属圈。
实施例1：使用后压延银应用的金属圈制备
参考图6，利用模头从刚性塑料片材300以各种图案冲压出柱形件腔301。柱形件腔301被间隔开并且尺寸被设定为使得一旦从幅材切割下来，如此产生的金属圈将具有用于ECG电极的金属圈的期望尺寸的柱形件和接触面。片材300包在类似于结合图1所描述的挤出/压延布置中的一个辊上，以形成金属圈幅材的柱形件。将挤出模头放置成使得材料将被滴涂在压延机辊之间。为了挤出足够的材料以填充柱形件腔并形成连续幅材，挤出机的运行速度比生产线可以带它走的速度更快。这些处理参数导致材料在辊隙处略微堆积。发现了最佳的平衡，使得积聚的尺寸是静止的，并且积聚的停留时间不足以使树脂开始硬化，这将导致不完全的腔填充和“波状”标记或幅材部分上的不一致的厚度。幅材制备如结合图1所述进行。导电树脂相对容易填充柱形件腔，仅对挤出参数进行少量改变。一旦优化，即使在间隔很近时，材料也完全填充所有的柱形件腔。由于硅氧烷片材的弹性性质，可观察到一定程度的柱形件直径变化。具有精确尺寸的柱形件腔的铝套筒可以帮助防止此类变化。将腔直接加工到压延机辊中也可以防止此类变化。
接触面上的银层对于金属圈是理想的。以上制造的金属圈幅材的平坦表面可使用柔性版涂覆机涂覆银墨，如结合图1所述。柔性版涂覆机可定位得足够接近辊，使得挤出的导电树脂的余热足以快速干燥并烧结银油墨而不需要烘箱。为了避免由于油墨过早干燥而堵塞的可能，可以使用胶版印刷到与导电树脂接触的连续带上。
为了评估目的，在该示例中的油墨印刷是在挤出和形成幅材之后脱机模拟的。使用以这种连续方式制备的金属圈来组装电极。使用8mm直径冲头在不同位置从幅材切割出金属圈。使用来自汉高公司(Henkel)的ACHESON ELECTRODAG PM-500手工将这些金属圈用液体银墨涂覆。电极组装为一体式电极(无螺柱、引线直接连接到金属圈)。金属圈被放置在LDPE带材上，并且将稀松布放置在金属圈周围，以将离子凝胶锚定在金属圈面上。将UV可固化电解质凝胶放置在金属圈的顶部并固化。使这些电极在49℃下在防潮袋中老化以允许银与盐反应并转化为银/氯化银。2天后，将电极移除并成对地背对背测试。以相同的方式组装可商购获得的金属圈(S-9129/300/SP/0.065/AG，可购自马萨诸塞州菲奇堡的SelectEngineering(Select Engineering,Fitchburg,Massachusetts))并用作参考。按照ANSI/AAMI EC12：2000方法TS-667执行测试。期望的性能极限为：DC偏移(DCO)＝100mV，AC阻抗(ACZ)＝3000Ω，模拟除颤恢复(SDR)＝100mV。结果如表1所示。很明显，本实施例中制备的金属圈容易符合期望的性能极限并接近可商购获得的金属圈的性能。
表1：
金属圈 DCO(mV) ACZ(Ohm) SDR(mV)
30重量％导电填充剂 1.6 253 11.9
35重量％导电填充剂 0.7 158 11.8
40重量％导电填充剂 0.5 98 11.2
S-9129/300/SP/0.065/AG 0.5 95 9.8
实施例2：在压延过程中使用预印刷的膜制备金属圈
在该实施例中，导电树脂的挤出膜的形成和银涂覆在辊隙处同时执行，从而以一步式连续方法制备银涂覆的金属圈幅材。利用液体银墨手工涂覆聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜并允许在环境条件下干燥以制备预印刷膜。如结合图2所述，预印刷的膜在挤出机/压延机布置中作为衬垫穿过。将衬垫放置成使得当树脂被挤出时银将与导电树脂接触。按照与实施例1相同的参数挤出导电树脂。辊隙后立即将衬垫从树脂上剥离。银涂覆的PET膜与导电树脂的接触时间保持最小。通过最小程度的接触，银仍然完全与PET膜分层并锚定到导电树脂上。柱形件的形成不受银层压的影响，并且幅材的厚度仅略微改变。这个过程展示了一步式连续形成在接触面上具有银层以及从相对面突出的柱形件的金属圈幅材。制备幅材辊，并从整个幅材上的各个点以8mm直径切割出金属圈(在表2中标记为“转移”)。这些金属圈用于以与实施例1相同的方式组装的电极。作为比较，不具有银涂层的区域的金属圈也被冲出，但手工涂覆液体银(在表2中标记为“压延后”)。按照ANSI/AAMI EC12：2000方法TS-667执行测试。期望的性能极限为：DC偏移(DCO)＝100mV，AC阻抗(ACZ)＝3000Ω，模拟除颤恢复(SDR)＝100mV。结果如表2所示。很明显，本实施例中制备的金属圈容易符合期望的性能极限并接近可商购获得的金属圈的性能。
表2：
金属圈 银涂层 DCO(mV) ACZ(Ohm) SDR(mV)
30重量％导电填充剂 转移 0.6 178 10.2
30重量％导电填充剂 压延后 0.9 162 10.6
S-9129/300/SP/0.065/AG 商业 0.5 95 9.8
实施方案3：金属圈中导电纤维的取向
可商购获得的金属圈通常通过注模制备，其涉及在特定压力下将熔融树脂引入冷却腔中。树脂进入模具并保持直至其硬化，产生通常在金属圈本体中随机取向其自身的纤维图案。靠近腔壁的纤维取向大部分平行于腔壁(垂直于金属圈的接触面)。具体地观察金属圈的接触面的边缘，注模金属圈的这个区域中的纤维的取向与本方法制备的金属圈的这个区域中的纤维的取向大相径庭。在商业注模的金属圈中，纤维平行于边缘对准，因为树脂在注模过程中与腔壁接触并且压力使纤维沿垂直方向对准。由于本过程中的金属圈由幅材制成，意味着不存在模具壁或腔，位于接触面边缘处的纤维垂直于边缘(平行于接触面)对准。
商业注模的金属圈与本方法制备的金属圈相比，金属圈柱形件区段的纤维也不同。在本发明的挤压过程中，纤维从扁平的挤压材料流入腔中，并且所导致的取向在柱形件内形成U形。沿着腔的壁，纤维主要根据柱形件本身的长轴取向。然而，更靠近柱形件的中心，纤维垂直于柱形件的长轴取向。对于注模的金属圈，纤维在大部分柱形件区域中通常是随机取向的。
另一个纤维取向明显不同的区域是在接触面本身内。挤压材料会产生剪切力，这倾向于使纵向的粒子对准。在本发明中可以看到这种现象，其中导电纤维在接触面的平坦部分内单轴取向。
根据观察金属圈的横截面时的视角，纤维相对于视角将具有不同的取向。当从垂直视角观察接触表面时，纤维突出平面并垂直于切割或观察表面。然而，当从平行于纤维方向的平面观察时，纤维完全不突出并主要与切割或观察平面对准。相比之下，无论观察平面如何，注模金属圈中的纤维呈现出类似的取向，并且会存在或多或少的等量纤维从平面突出并平行于平面延伸。
接触面内的单轴纤维取向和柱形件内纤维的独特流动图案被认为有利于金属圈的导电率和性能。为了验证，使用相同的树脂材料来模制与前述实施例相同尺寸的金属圈，但是使用注模而不是本发明的方法。注模在工业中被广泛使用，并且可形成随机纤维取向的金属圈。在没有进一步处理的情况下测试金属圈。仅使用导电树脂作为传导介质来测试未涂覆有银的金属圈。从接触面的基部到柱形件的顶部测量电阻。使用标准欧姆计测量电阻，并且手动记录结果。50个金属圈的平均值在下表3中示出。表3示出了由两种处理方法制备的金属圈的电阻值之间的显著差异。由于金属圈具有相同的组成，并且物理尺寸和形状非常相似，所以性能差异可归因于不同的纤维取向。
表3：
制备方法 本发明 注模
导电树脂 30重量％导电填充剂 30重量％导电填充剂
平均电阻(Ohm) 45 182
标准偏差 12 78
最小电阻(Ohm) 23 102
在对说明书进行检查时，新型特征结构对于本领域技术人员将变得显而易见。然而，应当理解，权利要求的范围不应受到实施方案的限制，而是应当整体给出符合权利要求和说明书的用语的最广泛解释。

Claims (21)

1.一种制备用于生物医学电极的金属圈的方法，所述方法包括：
热压热塑性或弹性导电树脂以制备包括金属圈幅材的膜，每个金属圈包括从所述膜的第一面突出的柱形件和位于所述膜的第二面处的凸缘；
将不可极化的导电材料的涂层施加到所述凸缘的接触面上；以及，
切割所述膜以制备从所述幅材分离的金属圈，其中将所述不可极化的导电材料施加到所述膜的所述第二面上，之后切割所述膜以制备分离的金属圈，其中每个金属圈的所述凸缘包括涂覆有所述不可极化的导电材料的接触面，并且每个金属圈的所述柱形件未涂覆有所述不可极化的导电材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不可极化的导电材料包括含金属材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述不可极化的导电材料包括含银材料。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述热压之前挤出所述热塑性或弹性导电树脂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过在模具辊上压延来热压所述树脂，所述模具辊包括具有腔的外表面，所述树脂进入所述腔中以形成从所述膜的所述第一面突出的所述柱形件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述压延包括通过所述模具辊与相对辊之间的辊隙供给所述树脂。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过将含有所述不可极化的导电材料的油墨印刷到所述膜的所述第二面上来施加所述不可极化的导电材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述印刷包括丝网印刷、喷墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、胶版印刷、喷刷、气溶胶印刷或排版印刷 。
9.根据权利要求7所述的方法，其中在制备所述膜时将所述油墨施加到所述膜的所述第二面。
10.根据权利要求1所述的方法，其中通过在热压所述热塑性或弹性树脂以形成所述膜时将固体不可极化的导电材料膜热压到所述第二面上来施加所述不可极化的导电材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中通过以下方式将所述不可极化的导电材料施加到所述第二面：连续地将包括具有所述不可极化的导电材料涂层的衬垫的固体不可极化的导电材料膜连续地供给通过所述热塑性或弹性树脂与辊之间的辊隙，以将所述不可极化的导电材料从所述衬垫转移到由所述树脂形成的所述膜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述不可极化的导电材料包括银涂覆的粒子。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述粒子包括玻璃。
14.根据权利要求1所述的方法，其中切割所述膜以制备不含不可极化的导电材料的金属圈，所述金属圈包括接触面和柱形件，之后将所述不可极化的导电材料施加到所述凸缘的所述接触面上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中通过油墨印刷、电镀、无电解电镀、溅镀、真空沉积或热沉积将所述不可极化的导电材料施加到所述接触面。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电树脂包括分散在热塑性树脂基质中的导电纤维。
17.一种用于制备生物医学电极的方法，所述方法包括通过根据权利要求1所述的方法制备金属圈，以及将背衬材料施加到所述金属圈，使得所述柱形件突出穿过所述背衬材料。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括将螺柱固定在所述柱形件上，以将所述金属圈固定到所述背衬材料。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括利用导电凝胶或粘合剂来涂覆所述金属圈的所述凸缘的所述接触面。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括施加泡沫层，以容纳并且/或者保护所述导电凝胶或粘合剂。
21.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括利用可移除覆盖物来覆盖所述凸缘的所述接触面。
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