南洋理工Science子刊：仿生吸湿电极问世，为长期可穿戴医疗监测带来稳定突破

在居家养老与远程医疗快速发展的今天，长期、稳定地获取高保真生理信号成为慢性病精准管理的关键。然而，现有的皮肤电极技术始终面临两难选择：传统的干电极虽能长期使用，但皮肤与金属/碳材料间的电化学阻抗高，信号噪声大；而水凝胶湿电极虽然初始阻抗低、信号质量好，却因水分持续蒸发，在较短时间内即性能衰退，难以满足数周乃至数月的持续监测需求。如何兼顾低阻抗与长期稳定性，成为制约下一代可穿戴医疗设备发展的核心瓶颈。

受自然界蛛网吸湿特性的启发，南洋理工大学陈鹏教授、新加坡国立大学刘宇鑫教授合作团队开发出一种名为“hydrotrode”的电子导电吸湿粘合电极（以下简称“吸湿电极”）。该材料通过构建交联的三维吸湿聚合物网络，可持续从环境中吸收水分，并在长达一年的时间内维持极低的皮肤界面阻抗和强韧的粘附力。其在10赫兹下的面积比阻抗比一年后的传统湿电极低约82.4倍，且成功应用于手势识别等长期肌电监测场景，为慢性疾病管理和人机交互提供了全新的解决方案。相关论文以“Spiderweb-inspired electronically conductive hygroscopic adhesive for chronic bioelectronic interface”为题，发表在Science Advances上。

该电极的灵感来源于蜘蛛拖丝中的低分子量化合物（如胆碱基分子），这些带正电的分子能与水分子形成强静电作用，从而高效地从空气中吸收水分，增强蛛丝粘性。研究团队仿生设计了一种互穿双层网络结构：一层为粘附性的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）基质，另一层为导电聚合物PEDOT:PSS网络，并引入一种生物相容性离子液体（BIL）作为多功能交联剂。BIL不仅作为二次掺杂剂提升PEDOT:PSS的电子电导率，还通过其季铵基团与水分子的强静电作用赋予整体材料优异的吸湿性。图1A示意了干电极、湿电极与理想慢性界面的差异，图1B展示了蛛丝吸湿机理及吸湿电极的仿生结构设计。实验表明，刚从干燥箱取出的吸湿电极粘附力差、噪声高；但当从空气中吸收约45%的水分后，其粘附强度和信噪比均显著提升，呈现出独特的湿度依赖性（图1C）。

图1. 仿生吸湿电极（hydrotrode）的设计理念、吸湿机理及性能概览。 （A）用于长期生物电位监测的干电极、湿电极及理想电极界面的示意图。 （B）蛛丝吸湿机理及吸湿电极的仿生结构设计，包含导电聚合物网络和季铵盐离子液体。 （C）吸湿电极在干燥、部分水合及完全水合状态下的水含量、粘附力和信号质量变化。

在电化学性能方面，优化后的吸湿电极在10赫兹下的面积比阻抗仅为约29.2 kΩ·cm²，比传统的Ag/AgCl湿电极（约97.0 kΩ·cm²）低约2.3倍，这归因于其双电子-离子导电性和较低的电荷转移电阻（图2B）。更重要的是，该电极在电刺激性能上同样表现优异：其阴极电流密度和阴极电荷注入容量远超商用碳基湿刺激电极（图2C），循环伏安测试也显示其具有更高的阴极电荷存储容量（图2D），表明其能在安全电压范围内高效进行经皮电刺激治疗。力学测试显示，在拉伸应变下，吸湿电极-皮肤界面阻抗变化极小（图2E），显示出良好的抗运动伪影能力。吸湿动力学实验表明，在室内外环境下，吸湿电极均能在数小时内通过吸水恢复性能（图2F），且在吸湿过程中，皮肤界面的电荷转移电阻逐渐下降，双电层电容增加（图2G-H），证明吸收的水分起到了电化学“桥接”作用。

图2. 吸湿电极的电化学与力学性能。 （A）吸湿电极贴片置于人体手臂的照片及其双层网络结构示意图。插图：吸湿电极贴合在皮肤复制物上的扫描电镜图像（比例尺，100 μm）。 （B）吸湿电极与Ag/AgCl湿记录电极的面积比阻抗谱及相位角-频率曲线。 （C）不同电极在电压瞬态下的最大阴极电化学电位偏移与阴极相电流幅值的校准曲线，标示用于计算阴极电荷注入容量的阴极电流密度极限。 （D）吸湿电极与碳基湿刺激电极的循环伏安曲线。 （E）应变下吸湿电极-皮肤界面阻抗的变化（插图：两个吸湿电极置于可拉伸离子导体上的实验示意图）。 （F）室内外环境下吸湿电极的再水化曲线（Weibull模型拟合）。 （G）原位再水化过程中吸湿电极-皮肤界面Nyquist图的变化。 （H）不同相对湿度下电解液电阻、双电层电容和电荷转移电阻的变化。

针对传统湿电极的致命弱点——水分蒸发，研究团队进行了系统验证。扫描电镜显示，湿电极在失水后表面结构明显劣化，而吸湿电极则保持完整且与皮肤高度共形（图3A）。水蒸气透过率测试表明，吸湿电极的透湿性远优于传统水凝胶，且其平衡吸水量是氯化锂、甘油等其他吸湿材料的数倍（图3B）。在出汗皮肤上，湿电极的粘附能迅速下降80%以上，而吸湿电极几乎不变（图3C）。长期暴露于空气中一年后，湿电极的阻抗飙升数十倍，粘附能也大幅衰减，而吸湿电极的阻抗和粘附能始终保持在初始水平附近（图3D-E），其长期稳定性远超文献报道的其他干、湿电极（图3F）。进一步研究发现，这种稳定性的关键在于材料内部“中间水”与“结合水”比例（I/B比）的动态调节：随着吸湿时间增加，I/B比上升，中间水增多，这些水分子作为电化学桥梁，促进了导电聚合物与皮肤之间的离子传输，从而降低了电荷转移电阻并提升了界面电容（图3G-I）。

图3. 吸湿性与水蒸气透过率确保吸湿电极的长期可用性。 （A）湿电极（左，比例尺10 μm）和吸湿电极（右，比例尺5 μm）的示意图及图像。 （B）不同吸湿材料基三元体系的水蒸气透过率（37°C，40% RH）和饱和归一化质量。 （C）湿电极和吸湿电极在大量出汗皮肤上的粘附能变化。 （D）长期面积比阻抗变化（n=4）。 （E）长期粘附能变化（n=4）。 （F）面积比阻抗随监测时间变化，显示吸湿电极在长时间内保持低阻抗（10 Hz），显著优于文献报道的干、湿电极。 （G）I/B水比随再水化时间的变化。 （H）10 Hz下面积比阻抗及粘附能随I/B水比的变化（插图：Randle模型拟合等效电路）。 （I）电解液电阻、双电层电容和电荷转移电阻随I/B水比的变化。

凭借上述优异性能，研究团队展示了吸湿电极在多种生物电位监测中的应用。一年老化实验表明，吸湿电极采集的心电信号信噪比远高于老化后的湿电极（图4B-C）；眼电和脑电信号（如alpha波）在一年后仍保持高信噪比（图4D-E）。最为引人注目的是，基于10通道吸湿电极贴片的手势识别系统（图4F），能够精准解码包括假肢控制和美国手语在内的26种手势，识别准确率达100%（图4G）。与干电极相比，吸湿电极具有更高的信噪比和准确率；而与湿电极对比，一年老化后，湿电极的信噪比从9.2 dB急剧下降至2.1 dB，准确率从87.8%降至75.5%，而吸湿电极的信噪比（9.8 dB vs 9.4 dB）和准确率（94.3% vs 91.0%）几乎无衰减（图4H-K）。

图4. 吸湿电极的生物电位监测应用及手势识别演示。 （A）不同生物电位监测示意图。 （B）新鲜及一年老化后湿电极和吸湿电极采集的未滤波心电数据。 （C）一年老化前后湿电极和吸湿电极心电信噪比对比（n=4）。 （D）新鲜及一年老化吸湿电极贴片采集的眼电信噪比对比（n=5）。 （E）新鲜及一年老化吸湿电极贴片采集的脑电alpha峰噪比对比（n=8）。 （F）手势识别流程示意图。 （G）优化模型对完整数据集（假肢控制及美国手语手势）识别的混淆矩阵。 （H-J）新鲜（上）及一年老化（下）干电极（H）、湿电极（I）和吸湿电极（J）采集的表面肌电信号及其频谱图。 （K）六种模型在新鲜及一年老化电极上的预测准确率对比（n=4）。

综上，该仿生吸湿粘合电极通过构建交联带电网络，巧妙调控材料中水分的状态与比例，在保持高透湿性和皮肤舒适度的同时，实现了超低且长期稳定的电化学界面阻抗。尽管在韧性、抗疲劳性等方面仍需改进，但这一设计策略为下一代长期可穿戴生物电子界面提供了全新思路，有望极大延长医疗监测设备和人机接口的使用寿命，推动远程医疗与智能康复的实质性进步。