人機交互技術已在臨床醫療實踐中展現出優異的應用前景，近年來物聯網（Internet of Things，IoT）和身聯網（Internet of Bodies，IoB）的飛速發展也為人機交互技術提供了巨大的發展空間。作為人機交互技術的關鍵組成部分，應用于人機交互界面的電極材料是其技術創新的核心之一。傳統剛性電極材料存在用戶舒適度低、接觸阻抗高、信號質量差等問題。近年來，柔性電子材料的發展為人機交互技術的進步提供了極大助力，開發柔性電極材料用于解決人機交互界面持續穩定信號獲取等關鍵科學問題得到了研究者的廣泛關注。研究者們開發了多種基于水凝膠材料的柔性生理電極，保證了電極在短期使用過程中的生物組織相容性。然而水凝膠電極在長期使用過程容易大量失水導致電極形變進而降低信號獲取能力，同時也會伴隨細菌滋生誘發的皮膚炎癥問題。因此亟待開發可用于人機交互界面長效工作的新型柔性抑菌生理電極材料。
近日，西北工業大學柔性電子研究院黃維院士團隊李鵬教授、王騰蛟副教授提出制備基于可降解醋酸纖維素復合材料的長效、質輕、抑菌功能的柔性氣凝膠電極用于人機界面長期、安全、高質量的生理信號監測（圖1）。柔性纖維素氣凝膠材料不僅具備質輕、多孔且特征，其結構中豐富的羥基官能團可以大量吸收和保留電解液（吸水性≈800%），延遲使用過程中電解液的流失，進而大幅度提升柔性電極使用時效。此外，柔性氣凝膠由醋酸纖維素基質通過熱誘導相分離一步法制備，通過配方優化實現了電極材料本征柔性調控（儲存模量 ≈1 MPa），使其與人體皮膚貼合適配度良好，保證了使用過程中生理信號的高質量獲取（皮膚接觸阻抗≈29 kΩ，20 Hz）。纖維素氣凝膠材料制備過程復合了銀納米線@聚吡咯（AgNWs@PPy）核殼結構納米添加劑，在保證生理電信號獲取質量的同時賦予柔性電極廣譜抑菌抗污能力，極大地提升了柔性氣凝膠電極在人機交互界面的使用時效。同時，氣凝膠電極可自然干燥，且干燥后可保證其宏觀和微觀形貌不變，有利于患者多次使用以降低成本。在有效性方面，氣凝膠電極相較商用電極采集的信號信噪比更高，使用時間更長。特別當商用電極在12小時后失去信號采集能力時，氣凝膠電極仍能清晰地記錄相應的生理電信號特征。此外，纖維素及其衍生物是綠色、無毒、具有可持續性和生物相容性的聚合物材料，廣泛應用于生物醫學領域，不僅提升了柔性氣凝膠材料在臨床推廣可行性，同時熱誘導相分離制備法簡化了電極生產流程，有望推進大規模產業轉化。
圖1. 柔性氣凝膠電極制備及信號采集示意圖
在該項研究中，柔性氣凝膠長效保濕特征是有效提升電極在人機交互界面長效高質量工作的前提。通常商用濕電極的使用時間為3小時至6小時，且隨著時間推移其表面凝膠干燥進而極大程度降低使用性能。如圖2a所示，商用濕電極的接觸阻抗在24小時內從31.37 ± 4.30 kΩ增加到5.43 ± 1.84 MΩ，而氣凝膠電極的接觸阻抗在24小時后仍能保持在200 kΩ左右（20 Hz）（圖2c, d）。電極接觸阻抗的增加主要歸因于導電凝膠內水分蒸發，但由于氣凝膠電極具有類似海綿狀的微觀結構以及纖維素本征保濕能力，使其在長期應用中保持更低的接觸阻抗和更長的使用時間。
圖2. 柔性氣凝膠電極及商業電極在長期使用中接觸阻抗分析
該文作者對柔性氣凝膠電極抑菌性能進行評價（圖3）。在體外抑菌實驗中，作者將商用電極、醋酸纖維素以及柔性氣凝膠電極與細菌共孵育，發現氣凝膠電極組的大腸桿菌Log Reduction Value為1.72 ± 0.33（殺菌率97.8%以上），遠高于商業電極及纖維素本身。該結果表明，氣凝膠電極的抑菌性能可能歸因于AgNWs表面氧化釋放的Ag+，而聚吡咯包覆的AgNWs具有更長的Ag+釋放時間，進而達到長效抑菌目的，該功能的實現對長期人體健康監測和輔助臨床醫療診斷具有重要意義。
圖3. 柔性氣凝膠電極抑菌性能測試
此外，作者利用睜閉眼腦機接口范式（睜眼（EO）/閉眼（EC））比較商用金杯電極與氣凝膠電極的腦電信號采集能力。該實驗過程中會要求志愿者閉眼60秒，然后睜開眼睛60秒。采集的腦電信號經過50 Hz陷波和5-45Hz帶通濾波進行處理。柔性氣凝膠電極和商用電極被放置在枕葉區相鄰位置。從閉眼和睜眼的60秒腦電信號中計算功率譜密度。根據頻率范圍，腦電信號可以分為α（8-12 Hz）、β（13-30 Hz）、γ（>30 Hz）和δ（1-4 Hz）頻帶。在使用EO/EC范式時，最顯著的特征出現在α波段，如圖4所示，。圖中還顯示了其他頻段如β（13-30 Hz）、γ（>30 Hz）的功率譜密度，但在EO/EC范式下這些波段的功率譜密度沒有明顯差異。商用電極和柔性氣凝膠電極測得的腦電信號功率譜密在6小時內的結果相似。在12小時后，由于凝膠干燥，商用電極失去了與頭皮皮膚接觸和檢測腦電信號的能力，而氣凝膠電極內部仍然儲存大量導電凝膠并能檢測到相關腦電特征，并在功率譜圖中識別出閉眼和睜眼之間的明顯差異。至于商用電極，信號一開始很好，但隨著時間的推移逐漸退化。12小時后，商用電極的信號幅度顯著下降，無法用于信號監測。這種信號衰減可以歸因于凝膠的干燥。由于柔性氣凝膠電極內持有的導電凝膠總體積遠大于商用電極頂部涂抹的凝膠量，且良好的多孔結構有利于保濕，因此氣凝膠電極的失水速度要慢得多，從而使柔性氣凝膠電極的使用時間更長。
圖4. 使用商業電極與柔性氣凝膠電極進行睜閉眼腦電信號采集
該工作以“Sponge Inspired Flexible, Antibacterial Aerogel Electrode with Long-Term High-Quality Electrophysiological Signal Recording for Human-Machine Interface”為題發表在Advanced Functional Materials上。西北工業大學柔性電子研究院黃維院士，李鵬教授和王騰蛟副教授為論文的通訊作者，西北工業大學柔性電子研究院碩士研究生王俊杰為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、陜西省杰出青年科學基金、陜西省重點研發計劃和重慶市自然科學基金等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309704
