导 语
神经损伤和疾病对个人的生活质量有着重大的影响，这往往会导致运动和感觉的丧失。为了评估人们的运动表现和监测神经系统疾病，通常使用非侵入性技术，如脑电图（EEG）和肌电图（EMG）。传统的带有导电凝胶的湿电极受到皮试时间长和过敏反应的限制。尽管干电极和水凝胶电极可以缓解上述问题，但它们的长期监测适用性较差。干电极容易受到运动伪影的影响，而基于水凝胶的电极则因水诱导的不稳定性而面临着巨大挑战。最近，从离子液体和共晶溶剂中衍生出来的离子凝胶和共晶凝胶凭借其不挥发性、离子导电性、热稳定性和可调性而获得了广泛的应用。特别是共晶凝胶，表现出优越的生物相容性。这些特性使它们有望成为安全、稳健和可靠的脑电信号和肌电信号采集电极的替代品。本文探讨了脑电信号和肌电信号传感的电极要求和材料进展，重点强调了离子凝胶和共晶凝胶相对于传统材料的优势，阐明了现阶段凝胶材料的局限性及该领域未来可能的发展方向，强调了凝胶材料在实现高质量、长期电生理信号采集的无缝接口领域的潜力。离子凝胶和共晶凝胶的独特特性，有望在脑电信号和肌电信号采集系统电极材料方面取得进步，从而改善监测系统并提高患者的治疗效果。
文章背景
神经损伤和疾病可导致运动和感觉丧失，极大地影响个人的生活质量，妨碍处理日常事务的能力，这些感知问题在神经系统疾病患者中很普遍。大约三分之二的中风患者会经历上肢的困难，在某些情况下导致下肢残疾，最终损害他们的步态和平衡。脑电图（EEG）和肌电图（EMG）是两种非常有价值的非侵入性技术，目前广泛应用于康复领域用于分析和评估患者的运动表现。连续和长期记录脑电图和肌电图信号可以捕获大脑活动和肌肉功能的动态变化，对研究睡眠模式、检测癫痫发作和监测神经系统疾病进展具有重要的意义。
由于低振幅和对干扰的敏感性，上述生物电信号的高质量检测很大程度上依赖于记录信号的电极。目前临床广泛使用湿导电凝胶的Ag/AgCl电极记录脑电信号和肌电信号。然而，耗时的皮肤准备和可能对患者产生的过敏反应严重限制了其应用。另外，长期使用还会导致凝胶脱水和凝固，引起噪音增加和信号质量下降。因此，近年来大量的研究聚焦于开发可替代传统凝胶基电极的循环利用干电极，旨在实现长时间的监测应用。虽然干电极规避了对导电凝胶的需求，但它们容易因身体运动而产生运动伪影，导致阻抗增加和信噪比降低，给准确可靠的信号采集带来挑战。
近年来，水凝胶电极作为一种可行的湿电极替代品，显示出了巨大的优势和应用潜力。良好的生物相容性，高电导率和机械灵活性，使其适合在动态环境中捕获高质量的脑电图和肌电图信号。尽管水凝胶电极在生物信号采集方面取得了显著的成就，但基于水凝胶的电极仍因与水的相互作用而面临着诸多挑战。例如，水的存在会导致其膨胀或收缩，从而显著影响其机械强度、导电性和长期稳定性。
离子凝胶和共晶凝胶是源自离子液体和共晶溶剂的软材料，具有离子导电性、不挥发性、热稳定性和柔韧性，其特殊的性能受到了广大研究者的青睐。离子凝胶和共晶凝胶固有的柔韧性和一致性可使轻薄和皮肤友好型传感器系统的发展成为可能。当作为肌电或脑电图传感器的电极时，上述凝胶材料可为用户提供舒适的体验，从而改善患者的使用感受。在生物相容性方面，共晶凝胶比离子凝胶具有优势，更适合作为皮肤接触型电极材料应用于医疗监测系统中。
本文旨在探讨离子凝胶和共晶凝胶作为电极材料在脑电信号和肌电信号采集中的应用潜力。文章简要讨论了脑电信号和肌电信号传感技术的电极要求，并总结了电极材料的发展和研究进展，强调了离子凝胶和共晶凝胶的优势，尤其是在建立可靠接口和长期、高保真信号采集方面的优势。此外，本文还指出了上述凝胶的局限性，并强调了进一步提高传感接口可靠性和耐用性的潜在改进方向。最后，本文简要概述了未来离子凝胶和共晶凝胶走向实际广泛应用需要充分考虑的因素。
图文导读
01
脑电信号和肌电信号获取所用电极的特性、材料选择和研究进展
在脑电信号测量中，通常在头皮上放置10-12个电极，以捕获神经元放电在大脑皮层产生的相对较弱的电信号（范围从5到300微伏）。而贴在皮肤上的表面电极则用来记录肌电信号，用于反映肌肉收缩。肌电信号通常具有更宽的频率范围（0~500 Hz），和更高的幅度（0~1.5 mV）。由于脑电信号和肌电信号的振幅相对较低，因此用于记录信号的电极必须具有较高的灵敏度和分辨率。此外，这些信号本身是动态的，使它们极易受到来自各种源的干扰。这些特征共同突出了捕获和分析生物电信号的独特挑战。
图1 用于脑电信号和肌电信号采集的离子凝胶和共晶凝胶的关键特性
电极作为这些系统的基本组成部分，电极材料的选择极大地影响了记录信号的质量。从材料角度考虑的几个设计因素在实现可靠的脑电信号和肌电信号测量中起着至关重要的作用。首先，确保电极与头皮/皮肤之间的良好接触对于消除运动伪影和接触阻抗波动非常重要。如图2(a)所示，湿式Ag/AgCl电极传统上被认为是生物电势测量的标准。这些电极具有非极化性和低电极-皮肤界面阻抗的特点。然而，为了实现电极与皮肤的稳定接触并确保电极的位置，这些电极需要用到电解质凝胶和粘合剂/贴片。尽管使用凝胶可以降低皮肤阻抗，但它经常会导致接触性皮炎。
为了解决这些问题，干电极被用作Ag/AgCl电极的替代品。如图2(b)所示，不锈钢或钛经常被用作干电极的金属膜，用于表面肌电和脑电图监测。然而，与湿电极相比，干电极通常具有更高的界面阻抗，这可能使它们更容易受到外部噪声的影响。为了缓解这一问题，通常采用原位屏蔽或预放大技术来改善信号质量。
近年来，基于导电聚合物、可拉伸金属、弹性体和水凝胶的柔性电极被开发出来，以克服与金属电极相关的局限性。这些电极的柔性增强了可穿戴性和舒适性，同时也最大限度地降低了皮肤和组织损伤的风险。Zhang等人利用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)掺杂聚(苯乙烯磺酸盐)、水性聚氨酯和d-山梨醇，采用简单的溶液处理方法开发了一种全有机干电极，如图2(c)所示。无论在何种条件下，包括干燥或湿润的皮肤，静态或动态的身体运动，这些柔性、自粘的干电极都能一致地产生高质量的生物电位肌电和脑电图信号。
近年来，高性能的水凝胶基干电极已成功地成为获取脑电信号和肌电信号的解决方案。这些水凝胶具有以下几个优点：高附着力、与皮肤具有良好的相容性以及长期记录的稳定性。由于亲水性交联聚合物的三维网络，水凝胶具有良好的生物相容性和柔性，适合用于人体皮肤。最近，Zhang等人开发了一种基于儿茶酚基MXene水凝胶的新型表皮传感器，该水凝胶具有自粘性、高耐久性和生物相容性，如图2(d)所示。与商用电极相比，基于水凝胶的传感器显示出明显更低的界面阻抗和更高的信噪比。重要的是，基于水凝胶的传感器还可以成功准确地识别与不同手势相关的肌电信号。
图2 (a) 市售的湿式Ag/AgCl肌电图和脑电图电极；(b) 用于表面肌电信号记录的钛基干电极；(c) 导电聚合物基粘接干电极用于肌电和脑电图信号采集的实例；(d) 用于肌电信号采集的MXene水凝胶电极
02
离子凝胶和共晶凝胶：用于脑电信号和肌电信号监测的新一代电极
离子液体和共晶溶剂代表了下一代非水液体电解质材料的发展方向。这些溶剂具有有趣的性质，具有广泛的潜在应用场景，如药物输送，可穿戴传感器，电致变色显示器和能量存储等。
图3(a)描述了离子液体中常见的阳离子和阴离子。离子液体可分为两大类：非质子离子液体和质子离子液体，前者不含任何可用质子，后者含有可用质子。图3(b)展示了共晶凝胶中常见的氢键给体和氢键受体。离子液体和共晶溶剂的相似之处在于：它们具有溶解有机和无机化合物的能力、低挥发性、高离子密度和化学可调性等。当加入到有机或无机框架中时，离子液体和共晶溶剂可以分别形成称为电离胶和共聚凝胶的准固体材料。这些非水凝胶基对应物具有独特的性能，使其非常适合连续和长期的脑电信号和肌电信号采集。它们提供了建立稳定、导电、粘合和无串扰界面的潜力，解决了传统电极在该领域的局限性。
离子凝胶和共晶凝胶由于其高离子密度和低挥发性，为脑电信号和肌电信号采集电极提供了可能。与传统水凝胶相比，它们可以提供更好的稳定性，从而潜在地增强其电气性能和信号记录能力。最近报道了一种结合近红外光谱探针的离子凝胶电极，用于肌肉活动监测，如图3(c)。在这项研究中，随着时间的推移，离子凝胶电极的稳定性超过了传统的水凝胶电极。商用Ag/AgCl水凝胶电极的接触阻抗在24h后由于失水而明显增大，而离子凝胶电极的阻抗保持相对稳定。除了稳定的接触阻抗外，离子凝胶还表现出显著的柔性。由于这些特殊的特征，离子凝胶电极可以记录稳定的肌电信号超过2周，即使在动态活动（如胸部扩张）中也可以忽略运动伪影。两周后，商用Ag/AgCl电极获得的肌电信号明显下降。与商用水凝胶电极相比，离子凝胶电极具有显著的优势，不仅可以降低接触阻抗，还可以提高长期电生理信号采集的稳定性。
共晶凝胶在水性或潮湿环境中表现出出色的粘附性能和信号记录能力。电极必须与皮肤紧密接触，特别是在出汗或长时间使用的情况下。不稳定的接触会在记录的信号中引入不必要的噪声，使其难以区分所需的肌电信号和脑电信号。商业水凝胶电极在长期使用后通常会导致由于失水而出现附着力和导电性降低，从而限制了这些电极连续监测的有效性。Lacalle等人研究了丙烯酸酯与含脂肪酸和薄荷醇的疏水共晶溶剂组成的共晶凝胶在水环境中的稳定性和导电性，如图3(d)所示。疏水共晶溶剂/丙烯酸酯配方具有低粘度的特点，这促进了高效和经济的电极结构设计。长链脂肪酸在盐水介质中膨胀时表现出胶束化，增强了共晶凝胶的离子电导率。然而，由此产生的相位分离对肌电信号的记录产生不利影响。相比之下，基于辛酸:薄荷醇溶剂的共晶凝胶，由于脂肪链较短，在水下探测中，3天后信噪比超过标准电极的传感性能。
图3 (a) 离子液体中常见的阳离子和阴离子；(b) 共晶溶剂中常见的氢键受体和给体；(c) 用于肌电信号和血氧监测的离子凝胶电极；(d) 基于共晶凝胶电极的水下肌电信号记录
总结与未来展望
近年来，离子凝胶和共晶凝胶由于其独特的性质已经被广泛研究和应用，它们是由离子液体和共晶溶剂组成的软材料，这些凝胶材料对具有生物相容和可穿戴特点的脑电信号和肌电信号传感系统的未来发展具有巨大的帮助。离子凝胶和共晶凝胶具有离子电导率高、挥发性低、长期稳定性和机械灵活性等优点，其在脑电信号和肌电信号监测方面具有巨大的应用潜力，可以提供比传统凝胶电极提供更高质量的信号。
离子凝胶的应用面临着几个需要解决的挑战，即平衡离子液体的成本和性能，以及开发更多的生物相容性离子液体。在不影响材料预期功能和性能的前提下，应优化离子液体的成本及其合成、纯化和纳入电离胶的过程。需要开发具有成本效益和可扩展的制造方法，使离子凝胶成为比市售凝胶电极更可行的选择。虽然许多离子液体具有理想的特性，但并非所有离子液体都具有生物相容性。研究工作应集中在设计和合成具有生物相容性或可以在不牺牲其独特性质的情况下进行生物相容性修饰的离子液体。可以通过合理的设计方法和回收程序来减少咪唑基离子凝胶的毒性，以减轻对环境的负担。
共晶凝胶被认为是传统溶剂的生物相容性替代品，可用于各种应用，包括生物医学领域。相对于研究较为广泛的离子凝胶，用于脑电信号和肌电信号传感的共晶凝胶研究还处于起步阶段。用于肌电信号采集的共晶凝胶的文献主要集中在水下记录，现有的研究主要集中在探索材料的特性，而不是评估其在可穿戴设备中的适用性。为了更好地理解共晶凝胶的结构和性能的关系，还需要进一步的研究和探索。此外，目前还没有研究强调共晶凝胶在脑电信号采集中的应用潜力。虽然共晶凝胶由于其低波动性而具有长期使用的潜力，但关于其操作稳定性、阻抗性能和信号采集能力的研究也是至关重要的。
离子凝胶和共晶凝胶可以与无线通信、数据处理和人工智能等新兴技术集成，以实现实时数据传输和智能传感，为个性化医疗保健、远程监控和远程医疗应用开辟可能性。随着研究人员继续解决与这些凝胶材料相关的问题，我们有望看到耐用、高效、用户友好的可穿戴传感器系统的出现，这些系统将彻底改变神经生理监测领域，并有助于改善医疗领域。
本研究得到了香港特别行政区政府研究资助局（16302723、26201323）的经费支持。
撰 稿｜
责任编辑｜
梅路遥
蔡乐娟 松山湖材料实验室
作者简介
通讯作者
刑怡铭（I-Ming Hsing）
香港科技大学化学及生物工程系教授。研究兴趣聚焦在基于核酸的生物工程、生物传感器、护理点诊断、纳米生物技术、电化学和电分析、柔性植入式生物电子学和化学工程等。
通讯作者
Hnin Yin Yin NYEIN
香港科技大学化学及生物工程系助理教授。研究兴趣包括：生物电子学、电化学、生物传感器和可穿戴设备等。
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。获得首个影响因子12.0，在全球材料综合类438本期刊中排名第41，位列Q1区。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
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