高保真生理电信号监测在医疗和脑科学研究中至关重要，而开发适应性强、贴合良好的电极接口则是实现稳定电生理记录的关键。水凝胶因其与皮肤组织相似的机械特性和高生物相容性，成为理想的生物电子材料，已广泛应用于生化监测和伤口愈合等领域。在电极应用中，水凝胶的高粘附性对信号采集质量至关重要。然而，与多毛皮肤的接触仍具挑战性，密集毛发可能妨碍电极附着，从而影响电信号采集的稳定性。为解决此问题，涂抹式水凝胶的原位成胶策略应运而生，能够在皮肤上直接成胶，从而提高水凝胶在头皮或多毛皮肤上的贴合性。但如果成胶时间过慢，可能导致附着不稳定，影响信号的连续采集。此外，通常为加速成胶需要额外设备辅助或成胶剂，如吹风机或化学成胶剂，但这些方法可能导致程序复杂、延长准备时间，并影响受试者的舒适度。
受明胶温度相转变特性的启发，广东以色列理工学院王燕教授的研究团队开发出一种可涂抹、快速成胶且高粘附性的导电水凝胶，专用于高保真无线电生理监测。通过将明胶的热相转变能力与没食子酸相结合，这种水凝胶在接触皮肤时能在15秒内快速成胶，从而克服了传统水凝胶在毛发覆盖区域难以附着的问题，并解决了因等待成胶而导致的不适。该创新设计不仅增强了水凝胶的粘附力，还具有优异的导电性能和机械强度，无需额外固定即可稳固贴合在皮肤或头皮上，实现长时间的电生理信号采集。
该水凝胶电极材料通过独特的流体-凝胶相转变特性，能够在与皮肤接触时渗透头皮毛发并形成共形界面，确保日常活动中连续、无干扰的心电图和高分辨率的睡眠脑电图信号监测。这一设计显著提升了监测的信号质量，使其在家庭便捷健康监测中具有广阔的应用前景。
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图1：可涂抹、快速固化、高粘附性水凝胶界面，用于高保真电生理信号监测。A) 家用无线睡眠监测系统图片，用于连续、双通道记录脑电图（EEG）和心电图（ECG）信号，以及使用便携设备对午睡阶段进行分类。B) 可涂抹Gel-GGLiCit水凝胶在流体状态和粘弹性状态的构建示意图。C) 和 D) 在高温（C）和室温（D）下Gel-GGLiCit水凝胶的照片和红外相机图像，展示了水凝胶在高温时的流体状态和室温时固体的凝胶状态之间的转变。比例尺，10毫米。E) 在人体皮肤上涂抹Gel-GGLiCit水凝胶的照片（t = 0秒）。比例尺，10毫米。F) 快速固化后（t = 15秒）剥去涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶的照片。比例尺，10毫米。G) 从皮肤上剥离的涂抹凝胶的光学图像，以及其表面复制的皮肤纹理结构，展示了与皮肤表面的共形接触。比例尺，500微米。H) 在多毛头皮上涂抹凝胶的光学图像，显示了其与多毛头皮的良好接触。比例尺，2毫米。I) 和 J) 照片展示了与商用膏剂相比，Ag/AgCl电极与涂抹水凝胶的出色粘附性。比例尺，5毫米。![]()
图2：可涂抹水凝胶的结构、流变学、粘附性、机械性和保水性特征。A) Gel-GGLiCit水凝胶的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺，100微米。B) 不同配方水凝胶的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图谱。C) 根据支持信息中的图S6计算出的相位角正切（G''/G'）。D) 在人体皮肤上，Gel-GGLiCit、Gel-GLiCit水凝胶和商用凝胶的剥离力每单位宽度的代表性曲线。E) 在Ag/AgCl电极基底上，Gel-GGLiCit、Gel-GLiCit水凝胶和商用凝胶的剥离力每单位宽度的代表性曲线。F) Gel-GGLiCit2/2、Gel-GGLiCit1/2、Gel-GGLiCit0/2水凝胶的拉伸应力曲线和实验设置。G) 振荡时间扫描实验显示了Gel-GGLiCit水凝胶随时间的成胶过程。交点表示相变点。H) 原始Gel-GGLiCit水凝胶和回收Gel-GGLiCit水凝胶的拉伸应力曲线。插图是加热至60-75°C保持20分钟后可涂抹Gel-GGLiCit水凝胶的可回收示意图。I) 在一般室内环境条件下，Gel-GGLiCit水凝胶48小时的保水性能。误差棒代表测量值的标准差（n = 3）。![]()
图3：可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶用于高保真电生理信号监测。A) 用于测量眼电图（EOG）信号（顶部）和肌电图（EMG）信号（底部）的实验设计的示意图。B) 商用膏剂（顶部）和可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶（底部）记录的EOG信号。C) 商用膏剂（顶部）和可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶（底部）记录的EMG信号。D) 使用可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶在日常活动时连续无线监测心电图（ECG）信号，包括原始数据（顶部），对应的心率（HR）和心电变异率（SDNN）（底部），监测时间为一小时。E) 可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶与商用膏剂的头皮电极接触阻抗比较分析。插图是测量睁眼状态和闭眼状态下脑电图（EEG）信号的实验设置示意图。F) 可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶在睁眼状态（顶部）记录的EEG信号，以及闭眼状态下相应的频谱图，显示了明显的α节律（底部）。G) 在睁眼状态（顶部）和闭眼状态（底部）下无线EEG信号的功率谱密度。![]()
图4：使用可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶在30分钟午睡期间进行高保真电生理监测。A) 使用可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶连续无线监测脑电图（EEG）信号。插图显示了放大的数据段。B) 脑电图信号的多窗谱图（顶部）和人工评分的睡眠分阶段示意图（底部）。C) 可涂抹的Gel-GGLiCit水凝胶无线记录的心电图（ECG）信号（顶部），对应的心率（HR）和心电变异率（SDNN）（底部）。作者受到明胶温度相转变的启发，将导电材料与具有热响应性的高分子混合，开发了一种可涂抹、快速成胶且高粘附性的导电水凝胶，用于高保真电生理信号监测，尤其是在睡眠监测领域展现了出色的性能。该水凝胶通过温度相转变机制，能够在短短15秒内实现由流体到固态凝胶的转变，保证了在皮肤和毛发覆盖区域的紧密附着。此设计同时具备优异的机械性能和导电性，解决了传统电极在毛发密集区域难以稳固附着的问题。除此之外，水凝胶的自粘附性能和低阻抗特性确保了长时间信号采集的高稳定性，尤其是用于家庭环境中的睡眠监测系统，为可穿戴健康监测设备提供了理想的材料选择。这一创新成果在柔性电子设备和远程健康监测领域展现了广阔的应用前景。
【参考文献】
https://doi.org/10.1002/smll.202407996无法设置外链，请点击下方阅读全文浏览。
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