生物电信号采集在临床医学种有很重要的应用，在采集过程中，保持静止对能否采集到相对高质量的生物电信号至关重要，然而呼吸产生的动态噪声是不可避免的。此前有研究采用带通滤波的方法消除呼吸带来的噪声，然而这会导致信号信息的缺失以及信号的延时。而且传统的生物电采集电极界面采用各向同性粘合剂以确保信号的保真度，然而它们会留下不可逆的残留物，从而影响设备的精度。
东华大学Chengyi Hou课题组和上海交通大学Hui Wang合作报道了一种选择性频率阻尼和Janus黏附水凝胶(JAH)，这种水凝胶可减轻呼吸产生的动态噪音，在呼吸频率范围内的阻尼效果比其他频率高 60 倍。它还表现出高达 537 倍的不对称粘合差异，防止残留。 通过均匀化离子分布、延长德拜长度和致密化电场，水凝胶可确保超过 10000 个周期的稳定信号传输。此外，它可以以比侵入式探头更高的灵敏度无创地诊断中耳炎，并且在临床多导睡眠图监测中有效，有助于阻塞性睡眠呼吸暂停的诊断。
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图1：JAH的设计原理和特性。 a）JAH的不对称粘附。 b）JAH 的临床实践。 c）不对称粘附机制。 d）JAH的截面银元素映射图像（比例尺：500μm）和表面银元素映射（比例尺：100μm）。 e）JAH、无 Ag 的 JAH、60 天后的 JAH 以及商业 EEG 凝胶的损失因子与频率的关系。 f）JAH 的阻尼机制是通过弱键合产生的能量耗散来实现的。
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图2：JAH的Janus结构形成和Janus粘附。a）胶凝过程中 JAH 的固液平衡。b）JAH不同部分在胶凝过程中的动力学不稳定性。c）JAH 凝胶化过程分析基于 (b) 中概述的阶段。d）JAH的粘合面与非粘合面在各种基材上的粘合力比率。
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图3：JAH 的电气特性。a）商业 EEG 凝胶和 JAH 的 CV 曲线，循环次数高达 1000 个。b）JAH 和商业 EEG 凝胶的偏差与其理想 CV 曲线的比较。c）商业EEG凝胶和JAH不同方向的阻抗比较。d）JAH 使用 ±0.1 V 双相脉冲进行 10000 个循环的电荷注入曲线。e）JAH 和商用 EEG 凝胶在正弦交流电压（幅度 1 V，频率 1 Hz）下的电流与时间曲线。f、J）AH 和商用 EEG 凝胶在正弦交流电压下的归一化电流与时间曲线。
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图4：JAH 诊断中耳炎。a）中耳炎部位。b）通过 JAH（灰色框）和侵入性探头（橙色框）诊断中耳炎。c）通过 JAH 和侵入性探针获取健康大鼠的听觉脑干反应 (ABR) 信号。d）通过 JAH 和侵入性探针获得中耳炎大鼠的 ABR 信号。e、f）JAH 与侵入式探头通过阻尼特性增强信号质量机制的比较。
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图5：JAH 进行临床睡眠监测。a）临床睡眠监测以及使用 JAH 和商用脑电图凝胶后设备电极的差异。b）临床睡眠监测期间 JAH 在 EEG、EOG 和 ECG 中的位置。c）残留凝胶对生物电信号的影响。d）JAH 对 0.1–1Hz 频率范围内动态噪声的阻尼效果。e）JAH 多导睡眠图 (PSG) 系统（F4、C4、O2、LEO、REOG）测量的原始 EEG、EOG 和 ECG 数据，捕获五个睡眠阶段（清醒、N1、N2、N3 和 快速眼动）。
本文介绍了一种具有选择性频率阻尼特性和生物电子界面不对称粘附性的水凝胶。该水凝胶有效抑制呼吸频率范围内的动态噪声，同时保持卓越且稳定的电性能、低阻抗和生物相容性。作为一种非侵入性方法，与侵入性电极相比，这种水凝胶在检测生物电信号方面表现出更高的灵敏度，这归因于其对动态噪声的阻尼能力。此外，本文还证实了这种水凝胶在临床 PSG 监测中的功效，展示了其在帮助临床医生进行 OSA 诊断方面的实用性。但是，水凝胶与电子设备的集成尚需进一步优化，尤其是在实际临床应用中的便携性和易用性方面，可以设计更加轻便、灵活的设备。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52833-1
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