腦電圖（EEG）信號(hào)的高質(zhì)量采集是腦機(jī)接口技術(shù)在健康監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、神經(jīng)假肢和生物識(shí)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(zhǎng)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(shí)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(shí)，建立長(zhǎng)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(shí)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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所裴為華研究員、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)Chen Lie博士合作團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型體溫響應(yīng)型自濕潤(rùn)離子凝膠電極。該電極通過(guò)微相分離機(jī)制在體溫作用下自動(dòng)釋放電解質(zhì)，填充頭皮微觀間隙，同時(shí)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(jì)使電極能夠在長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(guò)精確調(diào)控聚合物含量和單體比例，實(shí)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(shí)，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(shí)，離子液體逐漸析出并在凝膠表面形成微米級(jí)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(guò)程中被優(yōu)先富集。接觸角測(cè)量和豬皮滲透實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(rùn)離子凝膠電極用于腦電信號(hào)采集及應(yīng)用。（a）皮膚分泌的汗液濕潤(rùn)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(dòng)態(tài)界面濕潤(rùn)啟發(fā)，開(kāi)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(rùn)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(dòng)的自發(fā)界面濕潤(rùn)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高保真腦電記錄。（c）基于腦紋識(shí)別的用戶身份驗(yàn)證過(guò)程和原理。（d）自濕潤(rùn)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(rùn)離子凝膠電極的微相分離誘導(dǎo)自濕潤(rùn)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(duì)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(guò)程中離子凝膠表面微液滴的可逆擠出和再吸收過(guò)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(guò)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(duì)通過(guò)調(diào)控交聯(lián)劑濃度實(shí)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(cè)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(guò)100次拉伸/壓縮循環(huán)測(cè)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(shí)或經(jīng)過(guò)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(cè)試也表明在25°C至75°C范圍內(nèi)儲(chǔ)能模量和損耗模量保持穩(wěn)定，證實(shí)微相分離過(guò)程不會(huì)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(hào)采集應(yīng)用中（圖4），研究團(tuán)隊(duì)采用40靶標(biāo)穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口范式評(píng)估電極性能。在2秒刺激時(shí)間下，自濕潤(rùn)離子凝膠電極與商業(yè)導(dǎo)電膏的分類(lèi)準(zhǔn)確率相當(dāng)（差異±0.2%）；在短時(shí)間刺激（小于1.5秒）條件下，自濕潤(rùn)離子凝膠電極甚至表現(xiàn)出更高的分類(lèi)準(zhǔn)確率。在48小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)中，自濕潤(rùn)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(duì)濕度條件下，自濕潤(rùn)離子凝膠電極在9小時(shí)內(nèi)質(zhì)量保持率超過(guò)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(shí)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(bào)道的各類(lèi)電極。

圖4： 自濕潤(rùn)離子凝膠電極的長(zhǎng)期高保真腦電記錄。（a）40靶標(biāo)視覺(jué)刺激范式。用戶界面由5行8列共40個(gè)視覺(jué)目標(biāo)組成，包括26個(gè)字母（A-Z）、10個(gè)數(shù)字（0-9）和4個(gè)符號(hào)（-、.、<、>）。每個(gè)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(shí)驗(yàn)包含12個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊包含40次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)的提示時(shí)間為1秒，刺激時(shí)間為2秒。（b）自濕潤(rùn)離子凝膠電極和商業(yè)導(dǎo)電膏在不同刺激時(shí)間尺度下的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位分類(lèi)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(rùn)離子凝膠電極和商業(yè)導(dǎo)電膏的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位分類(lèi)準(zhǔn)確率和信息傳輸速率比較。（d）5小時(shí)內(nèi)自濕潤(rùn)離子凝膠電極和商業(yè)導(dǎo)電膏的信噪比比較，平均8個(gè)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(shí)內(nèi)自濕潤(rùn)離子凝膠電極（含/不含CAGE）與商業(yè)導(dǎo)電膏在8個(gè)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(duì)濕度下自濕潤(rùn)離子凝膠電極、水凝膠和商業(yè)導(dǎo)電膏9小時(shí)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(rùn)離子凝膠電極與已報(bào)道電極在阻抗、記錄時(shí)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(duì)進(jìn)一步將自濕潤(rùn)離子凝膠電極應(yīng)用于腦紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)（圖5）。通過(guò)31位二進(jìn)制m序列編碼的視覺(jué)刺激誘發(fā)腦電信號(hào)，采集受試者在50天內(nèi)的腦電響應(yīng)。以第1天信號(hào)為模板，第2天和第3天信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.725和0.659，而不同個(gè)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(gè)體特異性。在50天的重復(fù)使用中，自濕潤(rùn)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(duì)照組（從0.82降至0.79）。這一結(jié)果充分證明了自濕潤(rùn)離子凝膠電極在長(zhǎng)期腦機(jī)接口應(yīng)用中的優(yōu)異穩(wěn)定性和實(shí)用潛力。

圖5： 基于自濕潤(rùn)離子凝膠電極的腦紋識(shí)別。（a）示意圖顯示腦紋識(shí)別由注冊(cè)、登錄和認(rèn)證三部分組成。（b）腦紋識(shí)別刺激范式（上）和實(shí)驗(yàn)流程（下）。用戶界面由一個(gè)視角為14°的圓環(huán)和一個(gè)由黑色圓圈包圍的紅色十字（視角為1°）注視點(diǎn)組成。刺激序列為31位二進(jìn)制m序列。（c）使用自濕潤(rùn)離子凝膠電極在第1天（0小時(shí)，上）、第2天（0小時(shí)，中）和第3天（0小時(shí)，下）記錄的受試者腦紋識(shí)別信號(hào)。（d）以第1天（0小時(shí)）信號(hào)為模板，對(duì)第2天（0小時(shí)，中）和第3天（0小時(shí)，下）信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)系數(shù)分別為0.72541和0.65933。（e）對(duì)于自濕潤(rùn)離子凝膠電極在第2天（0小時(shí)）采集的100次腦紋識(shí)別信號(hào)，準(zhǔn)確率和真正例率隨閾值的變化。第2天（0小時(shí)）的準(zhǔn)確率和真正例率交點(diǎn)為（0.7547，77.0735）。（f）50天內(nèi)使用同一套自濕潤(rùn)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(shì)（n=5，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。

本研究開(kāi)發(fā)的新型親脂性自濕潤(rùn)離子凝膠電極，通過(guò)模擬皮膚排汗機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了體溫響應(yīng)性的智能界面濕潤(rùn)功能。其獨(dú)特的微相分離設(shè)計(jì)不僅確保了長(zhǎng)期使用中的低阻抗穩(wěn)定接觸，還通過(guò)膽堿-香葉酸的功能性釋放增強(qiáng)了生物電信號(hào)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(kāi)辟了新的發(fā)展方向。未來(lái)，該技術(shù)有望在神經(jīng)疾病監(jiān)測(cè)、殘疾人輔助控制和個(gè)體身份認(rèn)證等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。