中科大《自然·通訊》：研發“會呼吸”的水凝膠電極，實現超30天高保真電生理監測

可穿戴電生理監測設備被視作解讀人體“電語言”的關鍵技術，在健康管理和疾病預警方面潛力巨大。然而，如何構建一個既柔軟舒適、又能長期穩定工作的電極-皮膚界面，長期以來是該領域面臨的核心瓶頸。傳統水凝膠電極雖具備優異的離子導電性，卻普遍受困于水分流失、透氣性差以及運動時界面滑動等問題，不僅導致信號質量隨時間急劇下降，還會因堵塞毛孔引發皮膚不適，嚴重制約了其在日常和醫療場景中的可靠應用。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員、李連輝副研究員團隊，開發出一種名為“透氣導電水凝膠網絡（BCHN）”的嵌入式界面增強型電極。該電極通過將含氯化鈉的聚乙烯醇（PVA）水凝膠嵌入氧化處理的靜電紡絲三維多孔聚乳酸（PLA）骨架中，構建出兼具密集離子傳輸通路和水分吸附位點的復合結構。這種設計使得BCHN電極的彎曲剛度低至10-10N·m2，水蒸氣透過率（WVTR）達到1.85 kg·m?2·day?1，約為人體皮膚汗液蒸發速率的三倍，導電率為1.43 S·m?1。尤為關鍵的是，該電極能與皮膚微觀表面形成無縫貼合，建立起一種“共生”界面，通過動態平衡汗液捕獲、滲透與蒸發，即便在20%相對濕度（RH）的干燥環境下，也能在1kHz頻率下維持約55歐姆的低阻抗，從而為實現長期、高保真的電生理監測鋪平了道路。相關論文以“A symbiotic skin hydrogel interface enabled by flexible hydrogel network with embedded enhancement structure”為題，發表在Nature Communications上。

微觀結構與力學性能：打造“隱形”且“透氣”的生物界面

研究團隊利用掃描電子顯微鏡（SEM）對電極結構進行了觀察，結果顯示，電紡的PLA骨架具有高度互聯的三維多孔結構，而PVA水凝膠并非以連續膜形式堵塞纖維間的通道，而是均勻地包裹在每根纖維表面（圖1b），形成了一種互穿網絡。這種精巧的設計保留了大量的微米級孔隙（約1-2微米），為水蒸氣提供了順暢的逃逸路徑。進一步的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和X射線光電子能譜（XPS）分析證實，PVA與PLA纖維之間形成了牢固的氫鍵，這種界面耦合有效防止了水合-脫水循環中的分層或相分離，確保了電極在生理條件下的機械和功能穩定性。

通過調節PVA濃度和旋涂速度，研究人員能夠精確控制水凝膠的包覆程度。實驗表明，當使用3 wt%的PVA溶液并以5000 rpm旋涂時，復合膜能維持約41%的孔隙率（圖1c），在確保高透氣性的同時提供了充足的親水表面。正是這種結構，賦予了BCHN高達1.85 kg·m?2·day?1的WVTR（圖1d），其值約為人體皮膚的三倍，并且隨著厚度從10微米增加至80微米，WVTR雖有所下降但仍遠高于生理閾值（圖1e）。此外，該電極展現出優異的光學透明性，貼附在皮膚上幾乎不可見（圖1f）。力學測試顯示，厚度僅為10微米的BCHN薄膜，其彎曲模量在10?1? N·m2量級（圖1h），能夠與指紋、掌紋乃至面部皺紋等皮膚微紋理共形貼合（圖1g），實現了大面積的緊密接觸，有效抑制了運動中的側向滑動，為穩定采集信號奠定了物理基礎。

圖1. 透氣導電水凝膠網絡（BCHN）的結構設計與多功能特性。 (a) BCHN電極示意圖，該電極由氧化PLA納米纖維嵌入PVA水凝膠構成，用于多模式電生理監測（EEG、ECG、EMG）。 (b) 多孔PLA纖維和水凝膠包覆的BCHN結構的SEM圖像。比例尺：5微米和2微米。 (c) 不同PVA濃度負載下PLA和BCHN電極的孔隙率。 (d) 不同PVA濃度包覆的薄膜的水蒸氣透過率（WVTR）。 (e) 不同厚度的BCHN電極的WVTR和總失水量。 (f) 光學照片顯示BCHN電極無縫貼合于人體皮膚。 (g) 不同身體部位皮膚表面微溝槽的寬度和深度分布。 (h) 不同厚度BCHN電極的彎曲模量。誤差棒表示均值±標準差，n=3。

卓越導電性能：以純離子導通實現高保真信號追蹤

在電學性能方面，BCHN電極展現了顯著優勢。其低阻抗的核心機制在于，三維多孔骨架使水凝膠得以滲透并嵌入孔隙中，構建了結合聚合物鏈段跳躍和類液體離子擴散的混合導電路徑（圖2a），從而大幅提高了導電路徑的密度并縮短了離子傳輸距離。相比之下，無孔結構則缺乏這種高效的互聯網絡，離子傳輸被限制在表面束縛的水凝膠中，路徑長且曲折（圖2b）。電化學阻抗譜（EIS）測試表明，BCHN電極在1kHz下的阻抗低至約20歐姆（圖2c），離子電導率高達1.43 S·m?1（圖2d）。與先前報道的電極相比，BCHN在實現超低阻抗的同時，還擁有極高的WVTR（圖2e），成功解決了柔性電極在電學和透氣性能上難以兼顧的固有難題。

為評估其在實際信號采集中的保真度，研究人員進行了電壓追蹤測試。結果顯示，面對0.1Hz至10kHz的寬頻方波刺激，BCHN電極能幾乎無失真地還原輸入信號（圖2f-g），相位延遲小于0.5度，振幅衰減低于0.1%。相比之下，無孔結構的對照電極在高頻段（>1kHz）則表現出顯著的信號畸變和衰減，振幅衰減近5%（圖2h-i）。這表明，BCHN電極憑借其純離子導電機制，避免了傳統電子或混合導電電極在皮膚-電極界面處必需的離子-電子轉換過程，從而最大程度地保留了原始生理電信號的完整性，為其在肌電（EMG）、心電（ECG）和腦電（EEG）等復雜應用中的高保真采集提供了保障。

圖2. 多孔和光滑BCHN電極的電學表征。 (a-b) 多孔(a)和光滑(b)納米纖維水凝膠中導電路徑的示意圖對比。 (c) 不同NaCl濃度的BCHN電極在1kHz下的阻抗。 (d) 完全水合BCHN電極在不同NaCl濃度下從1到1,000,000 Hz的阻抗譜。 (e) 與先前報道的研究在1kHz阻抗和WVTR方面的比較。 (f-i) 多孔(f-g)和光滑(h-i)水凝膠電極在0.1 - 10,000 Hz、1 Vpp方波刺激下的電壓響應，同時測量生成和記錄信號以模擬生理頻率范圍。誤差棒表示均值±標準差，n=3。

共生界面調控：與皮膚共呼吸的動態穩定機制

BCHN電極最核心的創新在于其與皮膚形成的“共生”界面（圖3a）。這種設計使其不再是簡單的被動貼附，而是建立起一個能夠自主調節水分的動態系統：一方面，多孔的纖維骨架允許皮膚汗液（Jin）被水凝膠高效吸收；另一方面，開放的孔隙結構又允許多余的水分以水蒸氣形式（Jout）蒸發出去。當水分流入與蒸發達到動態平衡（Jnet = Jin – Jout ≈ 0）時，界面便能維持穩定的水合狀態，從而確保了電化學性能的長期一致。

實驗數據有力地支撐了這一機制。電化學阻抗譜顯示，隨著水凝膠含水量從40%增加到120%，1kHz下的阻抗從1600歐姆驟降至35歐姆（圖3b），表明連續的水合通路對離子傳輸至關重要。在真實的皮膚上，無論靜息還是運動狀態，BCHN電極的接觸阻抗均保持穩定（低于3千歐姆）（圖3c）。值得一提的是，該團隊將甘油負載量降至極低的7.5 wt%，避免了傳統高甘油配方導致的離子稀釋和粘膩感。水分動態分析表明，在不同濕度下（20%-80% RH），BCHN電極能通過吸收和蒸發實現水分平衡（圖3d）。在連續佩戴過程中，其重量和阻抗在約40分鐘內達到穩定（圖3e），且離子電導率在60% RH下連續穿戴150分鐘幾乎保持不變（圖3g），不同濕度下的阻抗變化具有良好的可逆性。這些結果充分證明，BCHN電極能夠維持長期的“水合-導電”平衡，這是實現下一代連續、高保真電生理監測的關鍵基礎。

圖3. BCHN電極的水分平衡微環境及濕度自適應電化學行為。 (a) 示意圖展示BCHN在低和高水合狀態下的水分調節機制，水分從皮膚汗液和環境濕度中吸收。 (b) 相同離子濃度的BCHN電極在不同水含量下的電化學阻抗譜（EIS）。*水含量以凍融后平衡態（100%）為基準歸一化，高于100%的值表示相對于此參考的額外水分吸收。 (c) 在靜息和運動狀態下，電極在10 Hz和1000 Hz下與皮膚的接觸阻抗，以及對應的電極-皮膚界面光學圖像。 (d) 水分蒸發（Jout）、吸收（Jin）和凈傳輸（Jnet）的通量分析，以及BCHN電極在不同相對濕度（RH）下空氣中及皮膚上的保水性。 (e) BCHN電極在空氣中和皮膚上重量及阻抗（1 kHz）的時間變化，展示水合平衡和阻抗穩定性。 (f) BCHN電極在不同RH條件下空氣中和皮膚上測得的離子電導率。 (g) 在60% RH下，將BCHN電極從空氣轉移到皮膚時，離子電導率和重量的動態變化。誤差棒表示均值±標準差，n=3。

心電與肌電監測：穩定信號與卓越的長期可靠性

在實際的生物電信號監測中，BCHN電極的表現同樣令人矚目。在心電（ECG）監測中，BCHN電極捕獲的波形具有清晰可辨的P-QRS-T特征波，平均振幅約1.95 mV，高于商用和光滑結構電極（圖4a-ii）。通過移動平均熱圖分析發現，BCHN電極的信號分散面積最小（σ≈0.05 mV），密度最高（>130），約為商用和光滑電極的兩倍（圖4a-iii至c-iii），表明其具有出色的時間穩定性和最小的信號波動。在長達10000秒的連續監測中，信號幅值波動小于±0.1毫伏，基線漂移低于0.05毫伏，即使在“工作”、“靜息”和“行走”等不同狀態下P-QRS-T波形均保持清晰可辨（圖4d）。更令人印象深刻的是，在連續使用3天、7天甚至30天后，其記錄的ECG波形幾乎保持不變（圖4e），信噪比（SNR）第3天接近28dB，30天后仍維持在25dB以上，而商用凝膠電極則從25dB急劇下降至18dB（圖4f）。這種長期穩定性直接源于其獨特的透氣和保濕設計，有效防止了傳統水凝膠因脫水或汗液積聚而導致的性能失效。

在表面肌電（sEMG）監測中，BCHN電極同樣表現出色。在重復握拳動作中，其記錄到的信號背景噪聲更低，信噪比更高（圖4g-i）。在模擬真實出汗條件下的測試中，BCHN電極即便在出汗后仍能維持28dB的高信噪比，噪聲功率低于1×10?3 mV2；而商用和無孔電極的信噪比則驟降超過40%（降至16-18dB），噪聲功率上升兩倍（圖4i-j）。SEM圖像顯示，三維多孔纖維的微觀結構在吸水后并未發生形變，進一步證實了其結構穩定性。同時，生物相容性測試（活/死細胞染色）證實了BCHN電極無細胞毒性（圖4k），即使在30天老化后的提取液中培養細胞也無明顯毒性，證明了其在長期穿戴應用中的安全性和可靠性。

圖4. 使用BCHN電極進行ECG和EMG信號的電生理監測。 (a-c) 使用BCHN電極進行ECG監測(i)及其記錄的ECG信號(ii)。(iii) 熱圖描繪了均值和標準差及移動平均分析以評估信號穩定性。 (d) 在“電腦工作”、“靜息”和“行走”不同狀態下超過2.5小時的連續ECG監測。 (e) BCHN電極在第3、7和30天ECG信號穩定性對比。 (f) 第3、7和30天商用和BCHN電極ECG信號的信噪比（SNR）比較。 (g) (i) 多孔BCHN、無孔BCHN和商用電極記錄的EMG信號及(ii)背景噪聲，以及(h)三種電極的EMG信號熱圖。 (i) 在非出汗皮膚和出汗皮膚上記錄的EMG信號。 (j) 出汗前后，多孔、無孔和商用電極的噪聲功率和SNR比較（環境溫度28°C，輕度體力活動，出汗前后30分鐘）。 (k) 用不同電極提取液培養的細胞熒光圖像，用于生物相容性評估。誤差棒表示均值±標準差，n=3。

腦電監測與認知狀態判別：從專注到放松的精準刻畫

腦電（EEG）信號因其幅值微弱且易受干擾，對電極性能要求極高。研究團隊將BCHN電極集成于一個無線藍牙頭戴系統中（圖5a），對前額區（FP1和FP2通道）進行監測。結果表明，BCHN電極能夠捕獲高保真的腦電信號（圖5b），并能清晰地通過頻域分析分解出δ、θ、α、β、γ等不同頻段的節律（圖5c）。在長達2小時的監測中，功率譜密度（PSD）分析清晰地反映了受試者在“靜息”、“電腦工作”和“放松”等不同認知狀態下的腦電變化：靜息狀態下α帶活動占主導（約10 Hz）；電腦工作狀態下α功率被抑制近60%，β帶活動（18-22 Hz）相對增強；放松狀態下θ和α帶重新成為主導（圖5d）。與商用電極相比，BCHN在整個監測期間信號保持穩定，而商用凝膠則隨時間出現明顯漂移和不穩定（圖5e）。

進一步分析專注與放松兩種狀態（圖5f、圖5j），BCHN電極捕捉到了符合神經生理學原理的特征變化。在專注狀態，高頻β帶（約13-30 Hz）占主導，α節律被抑制（圖5g-h）；而放松狀態則表現為θ（約4-8 Hz）和α（約8-13 Hz）功率的顯著增強（圖5k-l）。尤為重要的是，研究團隊對前額α不對稱性（FAA，即FP1-FP2）這一指標進行了監測，該指標被認為是反映情緒和認知負荷的有效參數。在長達8分鐘的監測中，專注和放松狀態的FAA平均值波動均在±0.2以內，標準差約0.1-0.2，保持高度穩定（圖5i、圖5m），再次印證了BCHN電極具備長期、零漂移的EEG采集能力，能夠精準刻畫由認知狀態轉換引發的細微神經動態。

圖5. 使用BCHN電極進行EEG監測和認知狀態區分。 (a) BCHN和絲網印刷電極與藍牙模塊的集成、額前放置以及用于實時EEG可視化的智能手機用戶界面。 (b) 使用集成系統從FP1和FP2通道實時記錄的EEG信號。 (c) EEG信號分解為δ、θ、α、β和γ頻帶的頻譜分解。 (d) 在靜息、工作和放松條件下進行2小時動態EEG監測，及對應的功率譜密度（PSD）分析。 (e) BCHN和商用電極在測量開始和結束時信號漂移的比較。 (f-i) 專注狀態：示意圖(f)，代表性EEG波形和時頻譜(g)，PSD分布(h)，以及前額α不對稱性（FAA, FP1–FP2）(i)。 (j-m) 放松狀態：示意圖(j)，代表性EEG波形和時頻譜(k)，PSD分布(l)，以及FAA分析(m)。誤差棒表示均值±標準差，n=3。

長期駕駛疲勞評估：邁向智能交通安全的應用驗證

為展示其實際應用潛力，研究團隊將BCHN電極應用于長達5小時的真實道路駕駛疲勞監測中（圖6a-d）。在整個駕駛過程中，電極始終保持與皮膚的完美貼合和穩定的電接觸，實現了無偽跡的連續雙通道前額EEG信號采集（圖6e）。通過量化分析四種基于腦電的疲勞指數——θ/α比率（TAR）、θ/β比率（TBR）、α/β比率（ABR）和(θ+α)/β比率（TPR），并結合主觀疲勞量表（Karolinska Sleepiness Scale, KSS）和行為學測試（Stroop任務），研究人員驗證了這些指標與主觀疲勞感的一致性，清晰描繪了從“初始警覺”、“輕度疲勞”、“音樂誘發放松”到“重度疲勞”的完整神經動態演變圖譜。

頻譜分析結果顯示，隨著疲勞加深，慢波θ節律逐漸占據主導，而α節律被強烈抑制（圖6f），導致TAR、TBR和TPR持續攀升，ABR不斷下降（圖6g-j）。在音樂放松階段，這些指標出現短暫的部分恢復——TAR和TPR下降約10-15%，ABR反彈約8-12%，顯示出聽覺刺激對皮層平衡的調節作用。除了頻譜特征，樣本熵和瑞利熵等非線性動力學分析也顯示，隨著疲勞程度增加，信號復雜度降低，神經規律性增強，與頻譜指標變化趨勢高度一致。基于上述四項EEG指標的綜合疲勞評分在駕駛3小時后超過閾值60，標志著明顯疲勞的開始（圖6k）。與商用電極的對比確認了相似趨勢（圖S40），進一步驗證了BCHN電極的可靠性。這項研究有力地證明了BCHN電極在長期、高保真腦電采集方面的卓越性能，以及其在智能疲勞預警和交通安全監測領域的巨大應用前景。

圖6. BCHN電極在駕駛疲勞長期EEG監測中的實際應用。 (a–d) 真實駕駛場景展示四個代表性認知狀態：初始警覺、輕度疲勞、音樂誘導放松和連續駕駛5小時后的重度疲勞。 (e) 整個5小時駕駛過程中連續的雙通道（FP1和FP2）EEG記錄。 (f) δ、θ、α、β和γ頻帶頻譜功率的時間演變。 (g–j) 四個駕駛階段對應的動態EEG頻譜圖。 (k) 基于EEG的綜合疲勞評分隨駕駛時間的進展。灰色陰影區域表示“輕度疲勞”和“重度疲勞”狀態的相對劃分，虛線表示評分為60的預警閾值。誤差棒表示均值±標準差，n=6。

總結與展望

綜上所述，研究團隊開發的BCHN電極，通過其獨特的嵌入式增強結構與皮膚構建了“共生”界面，從根本上解決了傳統水凝膠電極在脫水、透氣性和界面穩定性方面的長期挑戰。該電極實現了超低阻抗（約20 Ω @ 1 kHz）、卓越透氣性（WVTR約1.85 kg·m?2·day?1）和優異機械柔性的完美結合，并展現出長達30天以上SNR > 25dB的穩定工作能力。該系統已成功應用于實時追蹤駕駛員的認知狀態轉換和量化疲勞水平，為開發下一代高保真、可穿戴生物電子設備，推動個性化醫療和智能人機交互發展提供了一條極具前景的技術路徑。