Adv Mater：脂溶性自润湿离子凝胶电极用于长效高保真脑电信号采集

      离子导电凝胶是无创脑电电极的核心界面功能材料，但均质凝胶电极存在固有性能矛盾。传统湿凝胶信号精度高但易脱水干涸、操作繁琐，干态凝胶便捷长效但界面阻抗高、微弱神经信号识别能力差，二者难以兼顾。现有长效半干电极结构复杂、依赖精密加工，限制其规模化应用，亟需简易高效的长效脑电界面构筑新方案。北京航空航天大学刘明杰团队联合中国科学院半导体研究所、中国农业大学合作，以生物相容性胆碱基离子液体为功能调控介质，受皮肤出汗机制启发，提出体温响应微相分离策略，成功制备兼具自润湿特性的脂溶性自润湿离子凝胶电极（SWIGE），并基于该材料构建高保真长效脑电采集界面。

      该研究首次揭示胆碱类离子液体对电极-皮肤界面的双重调控机制。体温触发聚丙烯酸酯网络发生可逆微相分离，自主释放电解液填充头皮微间隙，优化界面物理接触。功能组分胆碱香叶酸盐（CAGE）可插入角质层脂质双分子层，溶胀非导电皮肤屏障、强化跨界面离子传导，从接触与传导两方面协同降低界面阻抗。此外，通过精准调控聚合物交联密度与离子液体配比，实现凝胶力学性能与头皮软组织的精准匹配，形成低模量贴合、高稳定基体的一体化结构，软层保障界面共形，刚性基体支撑长周期复用。

     该脑电电极7.8 Hz下界面阻抗低至10.3 ± 0.6 kΩ，性能对标商用导电膏。该脑电电极在48h连续佩戴下稳态视觉诱发电位分类准确率达97.71%，长效采集能力远超传统导电膏电极。同时，器件响应稳定、抗疲劳性能优异，100次循环力学性能无明显衰减，50天重复使用后脑纹身份认证精度与每日更换的商用电极无显著差异。

     总之，该工作挖掘了胆碱基离子液体调控生物界面的全新机理，突破传统脑电电极“信号精度与服役周期相互制约”的瓶颈。所构建的一体化自润湿离子凝胶电极兼顾优异的信号保真度、超长复用周期与免维护操作特性，为临床神经疾病长期监测、穿戴式脑机交互、脑纹生物身份认证等领域提供高性能核心界面器件，也为各类长效凝胶基柔性生物电子器件的简易、绿色制备提供通用设计思路。

• 首次提出体温响应微相分离滋润湿机制：受皮肤出汗启发，构建可逆微相分离体系，结合CAGE角质层溶胀效应，协同降低界面阻抗，为生物电子界面设计提供全新分子作用原理。

• 可控制备长效可复用离子凝胶电极：调控交联密度实现力学与头皮匹配，依托离子液体低挥发特性，9 h质量留存率超99%，50天重复使用性能稳定，解决传统水凝胶易脱水失效难题。

• 突破长期脑电采集性能瓶颈：48 h连续采集SSVEP准确率达97.71%，长效性能远超商用导电膏；实现50天稳定脑纹身份认证，覆盖临床监测、穿戴生物识别等全场景。

图1 仿生自润湿离子凝胶电极用于脑电信号采集及其应用。(a) 皮肤分泌的汗液浸润头皮并使角质层溶胀，从而有效降低头皮界面阻抗；受汗液动态润湿界面的机制启发，开发了具备电解液自主释放功能的智能离子凝胶电极，用于高保真脑电采集。(b) 该自润湿离子凝胶电极兼具头皮适配的共形界面与微相分离驱动的自发界面润湿特性；利用胆碱香叶酸盐的透皮递送性能，释放出的含胆碱香叶酸盐离子液体可自发溶胀角质层，构建稳定的低阻抗生物界面，支持长期高保真脑电记录。(c) 基于脑纹识别的用户身份核验流程与底层原理。(d) 重复使用50天内，自润湿离子凝胶电极与每日更换商用导电膏的性能对比（样本量n=5，所有数据以平均值±标准差表示）。

图2 自润湿离子凝胶电极的微相分离自润湿机制。(a) 均相态与微相分离态离子凝胶电极的实物照片（聚合物含量40 wt.%）。(b) 不同聚合物含量的离子凝胶在658 nm波长下透光率随温度的变化曲线，升温速率约2.0 ℃/min，丙烯酸丁酯与丙烯酸甲酯的质量比固定为33:7。(c) 两种单体质量比对离子凝胶相分离温度的影响（丙烯酸丁酯/丙烯酸甲酯比例范围31:9~28:12）；离子凝胶中聚合物质量分数固定为40%，离子液体复配体系由50 wt.%双三氟甲磺酰亚胺胆碱与10 wt.%胆碱香叶酸盐组成。(d) 离子凝胶的相分离温度与电导率随聚合物含量的变化规律（n=3，所有数据以平均值±标准差表示）。(e) 光学显微镜观测微相分离过程中，离子凝胶表面微液滴的可逆析出与重吸收行为（相分离温度为37 ℃）。(f)(g) 相分离前后，溶剂析出填充界面微间隙的示意图。(h) 温度从25 ℃升至37 ℃过程中，微结构离子凝胶与金电极之间的界面阻抗变化（聚合物含量40 wt.%）。(i) 微相分离过程中，离子凝胶释放的混合离子液体的定量氢核磁共振波谱表征。(j) 初始离子凝胶与凝胶释放液中，胆碱香叶酸盐与双三氟甲磺酰亚胺胆碱的摩尔占比对比。(k) 多种电解液在猪皮表面的接触角测试结果。(l) 不同电解液在猪皮上的透皮传输能力（混合液中两种离子液体的配比与图2i的核磁共振结果一致）。

图3 离子凝胶的力学性能。(a-b) 不同交联密度的离子凝胶（聚合物含量40 wt.%）的拉伸、压缩应力-应变曲线；插图为室温下原始凝胶与变形后凝胶的实物图。(c) 离子凝胶的拉伸模量、压缩模量随交联密度的变化规律（n=3，所有数据以平均值±标准差表示）。(d-e) 第1、10、50、100次拉伸、压缩循环的应力-应变曲线；插图为原始凝胶与100次循环后凝胶的形貌。(f) 不同载荷条件下离子凝胶的形状保持能力，比例尺为1 cm。(g-h) 交联密度为0.5 mol.%的离子凝胶，在微相分离前后的拉伸、压缩应力-应变曲线。(i) 离子凝胶的变温流变测试曲线。

图4 自润湿离子凝胶电极实现长期高保真脑电采集。(a) 40目标稳态视觉诱发电位视觉刺激范式：用户界面为5行8列共40个视觉目标，包含26个英文字母、10个数字与4类符号；每个刺激单元尺寸为140×140像素，中心标记尺寸为32×32像素，相邻目标横竖间距为50像素；每组实验包含12个模块，每个模块含40次试次，单次提示时长1 s，刺激时长2 s。(b) 不同刺激时长下，自润湿离子凝胶电极与商用导电膏的稳态视觉诱发电位分类准确率对比（n=8，所有数据以平均值±标准差表示）。(c) 2 s刺激时长下，自润湿离子凝胶电极与商用导电膏的稳态视觉诱发电位识别准确率、信息传输速率对比。(d) 连续5 h内，两种电极在8个整数刺激频率下的平均信噪比对比（n=8，***p<0.001，所有数据以平均值±标准差表示）。(e) 5 h佩戴周期内，含/不含胆碱香叶酸盐的自润湿离子凝胶电极与商用导电膏的8通道平均阻抗对比（n=3，所有数据以平均值±标准差表示）；凝胶电极与头皮的有效接触面积为15×15 mm²。(f) 37 ℃、相对湿度50%环境下，自润湿离子凝胶、水凝胶、商用导电膏9 h内的质量保持性能对比（n=3，所有数据以平均值±标准差表示）。(g) 雷达图对比自润湿离子凝胶电极与已报道电极在界面阻抗、采集时长、可复用性、智能响应、力学可调性五个维度的性能。

图5 基于自润湿离子凝胶电极的脑纹身份认证应用。(a) 脑纹认证流程示意图，分为注册、登录、身份核验三个阶段。(b) 脑纹认证视觉刺激范式（上图）与实验流程（下图）：界面包含14°视场的环形刺激区，以及1°视场、黑圈包裹的红色十字注视点；刺激序列为31位二进制m序列。(c) 自润湿离子凝胶电极采集受试者第1天、第2天、第3天的脑纹认证原始信号。(d) 以第1天信号为模板，分别匹配第2、3天信号，得到的相关系数分别为0.72541、0.65933。(e) 第2天采集的100组脑纹认证信号中，识别准确率、真阳性率随判定阈值的变化曲线；准确率与真阳性率的交点阈值为0.7547，对应识别通过率为77.0735%。(f) 同一套自润湿离子凝胶电极重复使用50天，与每日更换商用导电膏的曲线下面积变化趋势对比（n=5，所有数据以平均值±标准差表示）。

本研究开发了一种可复用的脂溶性自润湿离子凝胶电极（SWIGE），依托体温触发的可逆微相分离机制实现电极-头皮界面自主润湿，协同胆碱香叶酸盐的角质层溶胀效应强化跨界面离子传导，有效突破了传统脑电电极易脱水干涸、长期采集信号保真度不足的共性瓶颈。实验验证表明，该电极7.8 Hz下界面阻抗低至10.3 ± 0.6 kΩ，短期脑电采集性能与商用导电膏持平；48 h连续佩戴下稳态视觉诱发电位分类准确率稳定达97.71%，50天重复使用周期内脑纹身份认证性能无显著衰减，同时兼具优异的力学抗疲劳性与皮肤生物相容性。该工作为长效高保真无创脑电采集提供了免维护、即插即用的新型界面方案，也为凝胶基柔性生物电子器件的长期稳定运行提供了通用材料设计思路，可为穿戴式脑机接口、临床神经长期监测等领域的实用化发展提供核心器件支撑。

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