人机交互技术已在临床医疗实践中展现出优异的应用前景，近年来物联网（Internet of Things，IoT）和身联网（Internet of Bodies，IoB）的飞速发展也为人机交互技术提供了巨大的发展空间。作为人机交互技术的关键组成部分，应用于人机交互界面的电极材料是其技术创新的核心之一。传统刚性电极材料存在用户舒适度低、接触阻抗高、信号质量差等问题。近年来，柔性电子材料的发展为人机交互技术的进步提供了极大助力，开发柔性电极材料用于解决人机交互界面持续稳定信号获取等关键科学问题得到了研究者的广泛关注。研究者们开发了多种基于水凝胶材料的柔性生理电极，保证了电极在短期使用过程中的生物组织相容性。然而水凝胶电极在长期使用过程容易大量失水导致电极形变进而降低信号获取能力，同时也会伴随细菌滋生诱发的皮肤炎症问题。因此亟待开发可用于人机交互界面长效工作的新型柔性抑菌生理电极材料。
近日，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授提出制备基于可降解醋酸纤维素复合材料的长效、质轻、抑菌功能的柔性气凝胶电极用于人机界面长期、安全、高质量的生理信号监测（图1）。柔性纤维素气凝胶材料不仅具备质轻、多孔且特征，其结构中丰富的羟基官能团可以大量吸收和保留电解液（吸水性≈800%），延迟使用过程中电解液的流失，进而大幅度提升柔性电极使用时效。此外，柔性气凝胶由醋酸纤维素基质通过热诱导相分离一步法制备，通过配方优化实现了电极材料本征柔性调控（储存模量 ≈1 MPa），使其与人体皮肤贴合适配度良好，保证了使用过程中生理信号的高质量获取（皮肤接触阻抗≈29 kΩ，20 Hz）。纤维素气凝胶材料制备过程复合了银纳米线@聚吡咯（AgNWs@PPy）核壳结构纳米添加剂，在保证生理电信号获取质量的同时赋予柔性电极广谱抑菌抗污能力，极大地提升了柔性气凝胶电极在人机交互界面的使用时效。同时，气凝胶电极可自然干燥，且干燥后可保证其宏观和微观形貌不变，有利于患者多次使用以降低成本。在有效性方面，气凝胶电极相较商用电极采集的信号信噪比更高，使用时间更长。特别当商用电极在12小时后失去信号采集能力时，气凝胶电极仍能清晰地记录相应的生理电信号特征。此外，纤维素及其衍生物是绿色、无毒、具有可持续性和生物相容性的聚合物材料，广泛应用于生物医学领域，不仅提升了柔性气凝胶材料在临床推广可行性，同时热诱导相分离制备法简化了电极生产流程，有望推进大规模产业转化。
图1. 柔性气凝胶电极制备及信号采集示意图
在该项研究中，柔性气凝胶长效保湿特征是有效提升电极在人机交互界面长效高质量工作的前提。通常商用湿电极的使用时间为3小时至6小时，且随着时间推移其表面凝胶干燥进而极大程度降低使用性能。如图2a所示，商用湿电极的接触阻抗在24小时内从31.37 ± 4.30 kΩ增加到5.43 ± 1.84 MΩ，而气凝胶电极的接触阻抗在24小时后仍能保持在200 kΩ左右（20 Hz）（图2c, d）。电极接触阻抗的增加主要归因于导电凝胶内水分蒸发，但由于气凝胶电极具有类似海绵状的微观结构以及纤维素本征保湿能力，使其在长期应用中保持更低的接触阻抗和更长的使用时间。
图2. 柔性气凝胶电极及商业电极在长期使用中接触阻抗分析
该文作者对柔性气凝胶电极抑菌性能进行评价（图3）。在体外抑菌实验中，作者将商用电极、醋酸纤维素以及柔性气凝胶电极与细菌共孵育，发现气凝胶电极组的大肠杆菌Log Reduction Value为1.72 ± 0.33（杀菌率97.8%以上），远高于商业电极及纤维素本身。该结果表明，气凝胶电极的抑菌性能可能归因于AgNWs表面氧化释放的Ag+，而聚吡咯包覆的AgNWs具有更长的Ag+释放时间，进而达到长效抑菌目的，该功能的实现对长期人体健康监测和辅助临床医疗诊断具有重要意义。
图3. 柔性气凝胶电极抑菌性能测试
此外，作者利用睁闭眼脑机接口范式（睁眼（EO）/闭眼（EC））比较商用金杯电极与气凝胶电极的脑电信号采集能力。该实验过程中会要求志愿者闭眼60秒，然后睁开眼睛60秒。采集的脑电信号经过50 Hz陷波和5-45Hz带通滤波进行处理。柔性气凝胶电极和商用电极被放置在枕叶区相邻位置。从闭眼和睁眼的60秒脑电信号中计算功率谱密度。根据频率范围，脑电信号可以分为α（8-12 Hz）、β（13-30 Hz）、γ（>30 Hz）和δ（1-4 Hz）频带。在使用EO/EC范式时，最显著的特征出现在α波段，如图4所示，。图中还显示了其他频段如β（13-30 Hz）、γ（>30 Hz）的功率谱密度，但在EO/EC范式下这些波段的功率谱密度没有明显差异。商用电极和柔性气凝胶电极测得的脑电信号功率谱密在6小时内的结果相似。在12小时后，由于凝胶干燥，商用电极失去了与头皮皮肤接触和检测脑电信号的能力，而气凝胶电极内部仍然储存大量导电凝胶并能检测到相关脑电特征，并在功率谱图中识别出闭眼和睁眼之间的明显差异。至于商用电极，信号一开始很好，但随着时间的推移逐渐退化。12小时后，商用电极的信号幅度显著下降，无法用于信号监测。这种信号衰减可以归因于凝胶的干燥。由于柔性气凝胶电极内持有的导电凝胶总体积远大于商用电极顶部涂抹的凝胶量，且良好的多孔结构有利于保湿，因此气凝胶电极的失水速度要慢得多，从而使柔性气凝胶电极的使用时间更长。
图4. 使用商业电极与柔性气凝胶电极进行睁闭眼脑电信号采集
该工作以“Sponge Inspired Flexible, Antibacterial Aerogel Electrode with Long-Term High-Quality Electrophysiological Signal Recording for Human-Machine Interface”为题发表在Advanced Functional Materials上。西北工业大学柔性电子研究院黄维院士，李鹏教授和王腾蛟副教授为论文的通讯作者，西北工业大学柔性电子研究院硕士研究生王俊杰为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省杰出青年科学基金、陕西省重点研发计划和重庆市自然科学基金等的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309704
