北航刘明杰、赵天艺AM：新型体温响应型自湿润离子凝胶电极，实现长时高保真脑电记录

脑电图（EEG）信号的高质量采集是脑机接口技术在健康监测、虚拟现实、神经假肢和生物识别等领域广泛应用的关键前提。然而，传统非侵入式电极在长期使用中面临着诸多挑战：湿电极需要频繁补充导电膏，容易脱水和干涸；干电极则因与毛发表面接触不良而导致高阻抗；半干电极虽然有所改进，但仍难以实现与粗糙头皮表面的稳定、高效接触。如何在保证生物相容性的同时，建立长期稳定、低阻抗的电极-头皮界面，成为制约脑机接口技术实用化发展的重要瓶颈。

受皮肤自然排汗机制的启发，北京航空航天大学刘明杰教授、赵天艺教授、中国科学院半导体研究所裴为华研究员、中国农业大学Chen Lie博士合作团队联合开发了一种新型体温响应型自湿润离子凝胶电极。该电极通过微相分离机制在体温作用下自动释放电解质，填充头皮微观间隙，同时利用离子液体中的胆碱-香叶酸深入渗透角质层，显著降低皮肤-电极界面的离子传导阻抗。这种仿生设计使电极能够在长达50天的重复使用中保持与每日更换的商业导电膏相当的性能，为脑机接口的长期稳定应用提供了全新解决方案。相关论文以“Lipophilic Self-Wetting Ionogel Electrodes for Long-Term High-Fidelity Electroencephalogram Recording”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先构建了基于聚丙烯酸酯网络和胆碱基离子液体的智能离子凝胶体系（图1）。通过精确调控聚合物含量和单体比例，实现了在37°C体温附近的微相分离温度。变温拉曼和红外光谱证实，随着温度升高，聚合物网络与离子液体之间的氢键相互作用减弱，导致微相分离发生。光学显微镜观察显示，当温度接近相分离温度时，离子液体逐渐析出并在凝胶表面形成微米级液滴（直径约15.1±9.3微米），降温后这些液滴能在2分钟内被重新吸收。更有趣的是，析出的离子液体中胆碱-香叶酸的比例高于初始配比（19.69% vs 17.48%），表明这种具有优异皮肤亲和性的功能性离子液体在微相分离过程中被优先富集。接触角测量和猪皮渗透实验证实，胆碱-香叶酸在猪皮表面的接触角仅为12.5°，远低于磷酸盐缓冲液和另一种离子液体，且能显著增强角质层的通透性。

图1： 仿生自湿润离子凝胶电极用于脑电信号采集及应用。（a）皮肤分泌的汗液湿润头皮并膨胀角质层，从而有效降低头皮界面阻抗。受排汗介导的动态界面湿润启发，开发了具有自主电解质分泌能力的智能离子凝胶电极，用于高保真脑电采集。（b）自湿润离子凝胶电极集成了头皮自适应共形界面和微相分离驱动的自发界面湿润功能。利用胆碱-香叶酸的透皮递送特性，释放的含胆碱-香叶酸离子液体自发膨胀角质层，建立可靠的低阻抗生物界面，实现长期高保真脑电记录。（c）基于脑纹识别的用户身份验证过程和原理。（d）自湿润离子凝胶电极与每日更换导电膏在50天重复使用中的性能比较（n=5，所有数据均以平均值±标准差表示）。

图2： 自湿润离子凝胶电极的微相分离诱导自湿润机制。（a）均相和微相分离离子凝胶电极的照片（40 wt.%聚合物含量）。（b）不同聚合物含量离子凝胶在658 nm处的透光率随温度的变化，升温速率约为2.0°C/min。BA与MA的质量比固定为33:7。（c）两种单体质量比对离子凝胶相分离温度的影响（BA:MA从31:9变化至28:12）。离子凝胶中聚合物的质量分数固定为40%，离子液体混合物由50 wt.% [Cho][NTF]和10 wt.% CAGE组成。（d）离子凝胶的相分离温度和电导率随聚合物含量的变化（n=3，所有数据均以平均值±标准差表示）。（e）光学显微镜揭示微相分离过程中离子凝胶表面微液滴的可逆挤出和再吸收过程。相分离温度为37°C。相分离诱导的溶剂挤出用于界面间隙填充：相分离前（f）和相分离后（g）。（h）随着温度从25°C升高到37°C，金电极与微结构离子凝胶之间的界面阻抗变化（40 wt.%聚合物含量）。（i）从离子凝胶在相分离过程中释放的离子液体混合物的定量核磁共振氢谱。（j）初始离子凝胶中和从离子凝胶释放的离子液体混合物中CAGE与[Cho][NTF]的比例。（k）几种电解质在猪皮表面的接触角。（l）几种电解质在猪皮上的透皮传输能力（两种离子液体在其混合物中的比例与图2i的核磁共振结果一致）。

在机械性能方面（图3），研究团队通过调控交联剂浓度实现了离子凝胶模量的宽范围可调，拉伸模量可在31.92 kPa至391.89 kPa之间变化。选择0.5 mol%交联密度的离子凝胶进行后续测试，其拉伸模量为57.53 kPa，压缩模量为95.02 kPa，能量耗散仅为9.06%。经过100次拉伸/压缩循环测试，应力-应变曲线几乎重合，展现出优异的抗疲劳性能。即使在持续1N压力下保持5小时或经过100次压缩循环，探针状离子凝胶电极仍能保持良好的形状稳定性。更重要的是，微相分离前后的拉伸和压缩曲线基本一致，流变测试也表明在25°C至75°C范围内储能模量和损耗模量保持稳定，证实微相分离过程不会影响电极的宏观机械性能。

图3： 离子凝胶的机械性能。不同交联密度离子凝胶（40 wt.%聚合物含量）的拉伸（a）和压缩（b）应力-应变曲线。插图为室温和形变下离子凝胶的照片。（c）离子凝胶的拉伸和压缩模量随交联密度的变化（n=3，所有数据均以平均值±标准差表示）。离子凝胶在第1、10、50、100次拉伸循环（d）和压缩循环（e）的应力-应变曲线。插图为原始离子凝胶和第100次拉伸/压缩循环后离子凝胶的照片。（f）离子凝胶在不同加载条件下的形状保持能力。比例尺为1厘米。微相分离前后离子凝胶（0.5 mol.%交联密度）的拉伸（g）和压缩（h）应力-应变曲线。（i）离子凝胶的温度扫描流变曲线。

在脑电信号采集应用中（图4），研究团队采用40靶标稳态视觉诱发电位脑机接口范式评估电极性能。在2秒刺激时间下，自湿润离子凝胶电极与商业导电膏的分类准确率相当（差异±0.2%）；在短时间刺激（小于1.5秒）条件下，自湿润离子凝胶电极甚至表现出更高的分类准确率。在48小时连续监测中，自湿润离子凝胶电极的平均信噪比显著优于商业导电膏（p<0.001），阻抗稳定性也明显更优。更重要的是，在37°C、50%相对湿度条件下，自湿润离子凝胶电极在9小时内质量保持率超过95%，而水凝胶和商业导电膏分别损失了约40%和20%的质量。综合性能雷达图显示，该电极在阻抗、记录时间、可重复使用性、智能性和机械可调性等方面均优于已有报道的各类电极。

图4： 自湿润离子凝胶电极的长期高保真脑电记录。（a）40靶标视觉刺激范式。用户界面由5行8列共40个视觉目标组成，包括26个字母（A-Z）、10个数字（0-9）和4个符号（-、.、<、>）。每个刺激块为140×140像素的正方形，中心标记大小为32×32像素。相邻目标之间的垂直和水平间距为50像素。每次实验包含12个区块，每个区块包含40次试验。每次试验的提示时间为1秒，刺激时间为2秒。（b）自湿润离子凝胶电极和商业导电膏在不同刺激时间尺度下的稳态视觉诱发电位分类准确率（n=8，所有数据均以平均值±标准差表示）。（c）2秒刺激下自湿润离子凝胶电极和商业导电膏的稳态视觉诱发电位分类准确率和信息传输速率比较。（d）5小时内自湿润离子凝胶电极和商业导电膏的信噪比比较，平均8个整数频率（n=8；***p<0.001。所有数据均以平均值±标准差表示）。（e）5小时内自湿润离子凝胶电极（含/不含CAGE）与商业导电膏在8个通道的平均阻抗比较（n=3，所有数据均以平均值±标准差表示）。凝胶电极与头皮的有效接触面积为15 mm²。（f）37°C、50%相对湿度下自湿润离子凝胶电极、水凝胶和商业导电膏9小时内的质量保持能力（n=3，所有数据均以平均值±标准差表示）。（g）自湿润离子凝胶电极与已报道电极在阻抗、记录时间、可重复使用性、智能性和机械可调性方面的雷达图比较。

研究团队进一步将自湿润离子凝胶电极应用于脑纹识别认证系统（图5）。通过31位二进制m序列编码的视觉刺激诱发脑电信号，采集受试者在50天内的脑电响应。以第1天信号为模板，第2天和第3天信号的相关系数分别达到0.725和0.659，而不同个体间的相关系数仅为0.2±0.2，证明该系统具有良好的个体特异性。在50天的重复使用中，自湿润离子凝胶电极的受试者工作特征曲线下面积始终稳定在0.82-0.83之间，与每日更换的商业导电膏性能相当，显著优于性能逐渐下降的商业导电膏对照组（从0.82降至0.79）。这一结果充分证明了自湿润离子凝胶电极在长期脑机接口应用中的优异稳定性和实用潜力。

图5： 基于自湿润离子凝胶电极的脑纹识别。（a）示意图显示脑纹识别由注册、登录和认证三部分组成。（b）脑纹识别刺激范式（上）和实验流程（下）。用户界面由一个视角为14°的圆环和一个由黑色圆圈包围的红色十字（视角为1°）注视点组成。刺激序列为31位二进制m序列。（c）使用自湿润离子凝胶电极在第1天（0小时，上）、第2天（0小时，中）和第3天（0小时，下）记录的受试者脑纹识别信号。（d）以第1天（0小时）信号为模板，对第2天（0小时，中）和第3天（0小时，下）信号进行验证，相关系数分别为0.72541和0.65933。（e）对于自湿润离子凝胶电极在第2天（0小时）采集的100次脑纹识别信号，准确率和真正例率随阈值的变化。第2天（0小时）的准确率和真正例率交点为（0.7547，77.0735）。（f）50天内使用同一套自湿润离子凝胶电极和每日更换的商业导电膏的曲线下面积变化趋势（n=5，所有数据均以平均值±标准差表示）。

本研究开发的新型亲脂性自湿润离子凝胶电极，通过模拟皮肤排汗机制，实现了体温响应性的智能界面湿润功能。其独特的微相分离设计不仅确保了长期使用中的低阻抗稳定接触，还通过胆碱-香叶酸的功能性释放增强了生物电信号的耦合效率。结合离子凝胶优异的机械稳定性和抗疲劳性能，这种免维护、即插即用的电极系统为临床神经诊断和可穿戴脑机接口技术开辟了新的发展方向。未来，该技术有望在神经疾病监测、残疾人辅助控制和个体身份认证等领域发挥重要作用，推动脑机接口技术从实验室走向实际应用。