腦電圖（EEG）信號的高質(zhì)量采集是腦機(jī)接口技術(shù)在健康監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實、神經(jīng)假肢和生物識別等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵前提。然而，傳統(tǒng)非侵入式電極在長期使用中面臨著諸多挑戰(zhàn)：濕電極需要頻繁補(bǔ)充導(dǎo)電膏，容易脫水和干涸；干電極則因與毛發(fā)表面接觸不良而導(dǎo)致高阻抗；半干電極雖然有所改進(jìn)，但仍難以實現(xiàn)與粗糙頭皮表面的穩(wěn)定、高效接觸。如何在保證生物相容性的同時，建立長期穩(wěn)定、低阻抗的電極-頭皮界面，成為制約腦機(jī)接口技術(shù)實用化發(fā)展的重要瓶頸。

受皮膚自然排汗機(jī)制的啟發(fā)，北京航空航天大學(xué)劉明杰教授、趙天藝教授、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所裴為華研究員、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)Chen Lie博士合作團(tuán)隊聯(lián)合開發(fā)了一種新型體溫響應(yīng)型自濕潤離子凝膠電極。該電極通過微相分離機(jī)制在體溫作用下自動釋放電解質(zhì)，填充頭皮微觀間隙，同時利用離子液體中的膽堿-香葉酸深入滲透角質(zhì)層，顯著降低皮膚-電極界面的離子傳導(dǎo)阻抗。這種仿生設(shè)計使電極能夠在長達(dá)50天的重復(fù)使用中保持與每日更換的商業(yè)導(dǎo)電膏相當(dāng)?shù)男阅?，為腦機(jī)接口的長期穩(wěn)定應(yīng)用提供了全新解決方案。相關(guān)論文以“Lipophilic Self-Wetting Ionogel Electrodes for Long-Term High-Fidelity Electroencephalogram Recording”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊首先構(gòu)建了基于聚丙烯酸酯網(wǎng)絡(luò)和膽堿基離子液體的智能離子凝膠體系（圖1）。通過精確調(diào)控聚合物含量和單體比例，實現(xiàn)了在37°C體溫附近的微相分離溫度。變溫拉曼和紅外光譜證實，隨著溫度升高，聚合物網(wǎng)絡(luò)與離子液體之間的氫鍵相互作用減弱，導(dǎo)致微相分離發(fā)生。光學(xué)顯微鏡觀察顯示，當(dāng)溫度接近相分離溫度時，離子液體逐漸析出并在凝膠表面形成微米級液滴（直徑約15.1±9.3微米），降溫后這些液滴能在2分鐘內(nèi)被重新吸收。更有趣的是，析出的離子液體中膽堿-香葉酸的比例高于初始配比（19.69% vs 17.48%），表明這種具有優(yōu)異皮膚親和性的功能性離子液體在微相分離過程中被優(yōu)先富集。接觸角測量和豬皮滲透實驗證實，膽堿-香葉酸在豬皮表面的接觸角僅為12.5°，遠(yuǎn)低于磷酸鹽緩沖液和另一種離子液體，且能顯著增強(qiáng)角質(zhì)層的通透性。

圖1： 仿生自濕潤離子凝膠電極用于腦電信號采集及應(yīng)用。（a）皮膚分泌的汗液濕潤頭皮并膨脹角質(zhì)層，從而有效降低頭皮界面阻抗。受排汗介導(dǎo)的動態(tài)界面濕潤啟發(fā)，開發(fā)了具有自主電解質(zhì)分泌能力的智能離子凝膠電極，用于高保真腦電采集。（b）自濕潤離子凝膠電極集成了頭皮自適應(yīng)共形界面和微相分離驅(qū)動的自發(fā)界面濕潤功能。利用膽堿-香葉酸的透皮遞送特性，釋放的含膽堿-香葉酸離子液體自發(fā)膨脹角質(zhì)層，建立可靠的低阻抗生物界面，實現(xiàn)長期高保真腦電記錄。（c）基于腦紋識別的用戶身份驗證過程和原理。（d）自濕潤離子凝膠電極與每日更換導(dǎo)電膏在50天重復(fù)使用中的性能比較（n=5，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。

圖2： 自濕潤離子凝膠電極的微相分離誘導(dǎo)自濕潤機(jī)制。（a）均相和微相分離離子凝膠電極的照片（40 wt.%聚合物含量）。（b）不同聚合物含量離子凝膠在658 nm處的透光率隨溫度的變化，升溫速率約為2.0°C/min。BA與MA的質(zhì)量比固定為33:7。（c）兩種單體質(zhì)量比對離子凝膠相分離溫度的影響（BA:MA從31:9變化至28:12）。離子凝膠中聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為40%，離子液體混合物由50 wt.% [Cho][NTF]和10 wt.% CAGE組成。（d）離子凝膠的相分離溫度和電導(dǎo)率隨聚合物含量的變化（n=3，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。（e）光學(xué)顯微鏡揭示微相分離過程中離子凝膠表面微液滴的可逆擠出和再吸收過程。相分離溫度為37°C。相分離誘導(dǎo)的溶劑擠出用于界面間隙填充：相分離前（f）和相分離后（g）。（h）隨著溫度從25°C升高到37°C，金電極與微結(jié)構(gòu)離子凝膠之間的界面阻抗變化（40 wt.%聚合物含量）。（i）從離子凝膠在相分離過程中釋放的離子液體混合物的定量核磁共振氫譜。（j）初始離子凝膠中和從離子凝膠釋放的離子液體混合物中CAGE與[Cho][NTF]的比例。（k）幾種電解質(zhì)在豬皮表面的接觸角。（l）幾種電解質(zhì)在豬皮上的透皮傳輸能力（兩種離子液體在其混合物中的比例與圖2i的核磁共振結(jié)果一致）。

在機(jī)械性能方面（圖3），研究團(tuán)隊通過調(diào)控交聯(lián)劑濃度實現(xiàn)了離子凝膠模量的寬范圍可調(diào)，拉伸模量可在31.92 kPa至391.89 kPa之間變化。選擇0.5 mol%交聯(lián)密度的離子凝膠進(jìn)行后續(xù)測試，其拉伸模量為57.53 kPa，壓縮模量為95.02 kPa，能量耗散僅為9.06%。經(jīng)過100次拉伸/壓縮循環(huán)測試，應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。即使在持續(xù)1N壓力下保持5小時或經(jīng)過100次壓縮循環(huán)，探針狀離子凝膠電極仍能保持良好的形狀穩(wěn)定性。更重要的是，微相分離前后的拉伸和壓縮曲線基本一致，流變測試也表明在25°C至75°C范圍內(nèi)儲能模量和損耗模量保持穩(wěn)定，證實微相分離過程不會影響電極的宏觀機(jī)械性能。

圖3： 離子凝膠的機(jī)械性能。不同交聯(lián)密度離子凝膠（40 wt.%聚合物含量）的拉伸（a）和壓縮（b）應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖為室溫和形變下離子凝膠的照片。（c）離子凝膠的拉伸和壓縮模量隨交聯(lián)密度的變化（n=3，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。離子凝膠在第1、10、50、100次拉伸循環(huán)（d）和壓縮循環(huán)（e）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖為原始離子凝膠和第100次拉伸/壓縮循環(huán)后離子凝膠的照片。（f）離子凝膠在不同加載條件下的形狀保持能力。比例尺為1厘米。微相分離前后離子凝膠（0.5 mol.%交聯(lián)密度）的拉伸（g）和壓縮（h）應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（i）離子凝膠的溫度掃描流變曲線。

在腦電信號采集應(yīng)用中（圖4），研究團(tuán)隊采用40靶標(biāo)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口范式評估電極性能。在2秒刺激時間下，自濕潤離子凝膠電極與商業(yè)導(dǎo)電膏的分類準(zhǔn)確率相當(dāng)（差異±0.2%）；在短時間刺激（小于1.5秒）條件下，自濕潤離子凝膠電極甚至表現(xiàn)出更高的分類準(zhǔn)確率。在48小時連續(xù)監(jiān)測中，自濕潤離子凝膠電極的平均信噪比顯著優(yōu)于商業(yè)導(dǎo)電膏（p<0.001），阻抗穩(wěn)定性也明顯更優(yōu)。更重要的是，在37°C、50%相對濕度條件下，自濕潤離子凝膠電極在9小時內(nèi)質(zhì)量保持率超過95%，而水凝膠和商業(yè)導(dǎo)電膏分別損失了約40%和20%的質(zhì)量。綜合性能雷達(dá)圖顯示，該電極在阻抗、記錄時間、可重復(fù)使用性、智能性和機(jī)械可調(diào)性等方面均優(yōu)于已有報道的各類電極。

圖4： 自濕潤離子凝膠電極的長期高保真腦電記錄。（a）40靶標(biāo)視覺刺激范式。用戶界面由5行8列共40個視覺目標(biāo)組成，包括26個字母（A-Z）、10個數(shù)字（0-9）和4個符號（-、.、<、>）。每個刺激塊為140×140像素的正方形，中心標(biāo)記大小為32×32像素。相鄰目標(biāo)之間的垂直和水平間距為50像素。每次實驗包含12個區(qū)塊，每個區(qū)塊包含40次試驗。每次試驗的提示時間為1秒，刺激時間為2秒。（b）自濕潤離子凝膠電極和商業(yè)導(dǎo)電膏在不同刺激時間尺度下的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位分類準(zhǔn)確率（n=8，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。（c）2秒刺激下自濕潤離子凝膠電極和商業(yè)導(dǎo)電膏的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位分類準(zhǔn)確率和信息傳輸速率比較。（d）5小時內(nèi)自濕潤離子凝膠電極和商業(yè)導(dǎo)電膏的信噪比比較，平均8個整數(shù)頻率（n=8；***p<0.001。所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。（e）5小時內(nèi)自濕潤離子凝膠電極（含/不含CAGE）與商業(yè)導(dǎo)電膏在8個通道的平均阻抗比較（n=3，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。凝膠電極與頭皮的有效接觸面積為15 mm2。（f）37°C、50%相對濕度下自濕潤離子凝膠電極、水凝膠和商業(yè)導(dǎo)電膏9小時內(nèi)的質(zhì)量保持能力（n=3，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。（g）自濕潤離子凝膠電極與已報道電極在阻抗、記錄時間、可重復(fù)使用性、智能性和機(jī)械可調(diào)性方面的雷達(dá)圖比較。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步將自濕潤離子凝膠電極應(yīng)用于腦紋識別認(rèn)證系統(tǒng)（圖5）。通過31位二進(jìn)制m序列編碼的視覺刺激誘發(fā)腦電信號，采集受試者在50天內(nèi)的腦電響應(yīng)。以第1天信號為模板，第2天和第3天信號的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.725和0.659，而不同個體間的相關(guān)系數(shù)僅為0.2±0.2，證明該系統(tǒng)具有良好的個體特異性。在50天的重復(fù)使用中，自濕潤離子凝膠電極的受試者工作特征曲線下面積始終穩(wěn)定在0.82-0.83之間，與每日更換的商業(yè)導(dǎo)電膏性能相當(dāng)，顯著優(yōu)于性能逐漸下降的商業(yè)導(dǎo)電膏對照組（從0.82降至0.79）。這一結(jié)果充分證明了自濕潤離子凝膠電極在長期腦機(jī)接口應(yīng)用中的優(yōu)異穩(wěn)定性和實用潛力。

圖5： 基于自濕潤離子凝膠電極的腦紋識別。（a）示意圖顯示腦紋識別由注冊、登錄和認(rèn)證三部分組成。（b）腦紋識別刺激范式（上）和實驗流程（下）。用戶界面由一個視角為14°的圓環(huán)和一個由黑色圓圈包圍的紅色十字（視角為1°）注視點組成。刺激序列為31位二進(jìn)制m序列。（c）使用自濕潤離子凝膠電極在第1天（0小時，上）、第2天（0小時，中）和第3天（0小時，下）記錄的受試者腦紋識別信號。（d）以第1天（0小時）信號為模板，對第2天（0小時，中）和第3天（0小時，下）信號進(jìn)行驗證，相關(guān)系數(shù)分別為0.72541和0.65933。（e）對于自濕潤離子凝膠電極在第2天（0小時）采集的100次腦紋識別信號，準(zhǔn)確率和真正例率隨閾值的變化。第2天（0小時）的準(zhǔn)確率和真正例率交點為（0.7547，77.0735）。（f）50天內(nèi)使用同一套自濕潤離子凝膠電極和每日更換的商業(yè)導(dǎo)電膏的曲線下面積變化趨勢（n=5，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。

本研究開發(fā)的新型親脂性自濕潤離子凝膠電極，通過模擬皮膚排汗機(jī)制，實現(xiàn)了體溫響應(yīng)性的智能界面濕潤功能。其獨(dú)特的微相分離設(shè)計不僅確保了長期使用中的低阻抗穩(wěn)定接觸，還通過膽堿-香葉酸的功能性釋放增強(qiáng)了生物電信號的耦合效率。結(jié)合離子凝膠優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和抗疲勞性能，這種免維護(hù)、即插即用的電極系統(tǒng)為臨床神經(jīng)診斷和可穿戴腦機(jī)接口技術(shù)開辟了新的發(fā)展方向。未來，該技術(shù)有望在神經(jīng)疾病監(jiān)測、殘疾人輔助控制和個體身份認(rèn)證等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動腦機(jī)接口技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。