Adv Funct Mater：用于脑电生理学的可扩展弹性水凝胶界面

      脑机接口技术的快速发展已实现大脑与外部设备的实时交互，其中侵入式技术取得显著突破。然而，在提升单向非侵入式脑机接口性能方面，现有导电胶电极的改进亟待突破。本研究创新性地开发了一种具有生物安全性的球形电极，通过将海藻酸盐水凝胶与铟锡氧化物（ITO）导电材料复合，构建出兼具优异导电性和生物相容性的新型界面。该电极展现出卓越的导电稳定性，能够根据不同头形实现自适应形变，其阻抗值多数低于10kΩ，较传统导电胶显著提升亲水性（接触角测试证实）。在脑电图（EEG）信号采集实验中，该电极表现出可靠的信号传导性能，所获得的脑电数据经频带能量比分析和支持向量机（SVM）算法处理后，成功实现情绪识别。该系统的操作流程简便高效，大幅减少了信号采集前后的准备工作。通过采用多样化原材料和简化的预处理工艺，该水凝胶电极展现出良好的工业化应用前景，不仅有望推动民用脑电设备的发展，更为抑郁症等神经精神疾病的病理机制研究提供了新的技术手段。

• 界面材料创新：海藻酸钠与Ca²⁺交联形成稳定网络，氧化铟锡（ITO）导电颗粒被均匀包裹其中，既保持导电性又增强机械强度。

• 球形电极设计：采用球形模具成型，冷却固化后形成弹性球形电极，易于安装和拆卸。球形结构具有良好的自适应变形能力，能贴合不同头型，确保与头皮的良好接触。

• 电学性能优异：阻抗＜10 kΩ，信号传输稳定，与商用导电膏相当甚至更优。

• 情绪识别应用：使用SVM算法对采集的EEG信号进行情绪分类，识别率高达83.5%和99.3%。混淆矩阵显示其分类性能优于传统导电膏。

  
  

图1. 电极制作工艺及脑电信号检测原理。a) ITO水凝胶电极球生产流程图。b) 实验过程中导电帽的工作原理图。c) 导电帽中球形电极测量脑电的机理图。

图2. ITO和ITO混合海藻酸钠的基本特性。a) ITO前驱体溶胶在研磨后在500℃下热处理2h的SEM。b) 采用相同的热处理和研磨工艺，在ITO浓度较高和较低的情况下得到了粉末XRD。c) 均质后的ITO粉末与海藻酸钠充分混合后的SEM。d) 不同浓度(1%−8%)的ITO粉末与海藻酸钠混合后的XRD。e) ITO粉末与海藻酸钠混合的最佳浓度制备的压片的I-V曲线。f) 采用最佳浓度ITO粉末与海藻酸钠混合制备的压片的R-I曲线。

图3. 水凝胶电极的改进过程。a) 19导联电极在头皮上的分布示意图（侧视图、顶视图）。b,c) 当ITO粉末与海藻酸钠凝胶的混合质量比为1%、8%时，水凝胶电极的导电性能。d,e) 当ITO粉末与海藻酸钠凝胶的混合质量比为2%、4%时，水凝胶电极的导电性能。f,g) 当ITO粉末与海藻酸钠凝胶的混合质量比为1%、8%、2%、4%时，通过多次测量获得球电极平均阻抗范围的统计直方图，误差棒表示多次测量中电阻值的标准偏差。

图4. 两种导电方法监测特定脑电图信号的比较。a) 治疗后通过水凝胶导电球测量睁眼状态下的脑电图。其中包含部分段放大后的时域图。b) 治疗前通过导电膏测量睁眼状态下的脑电图。其中包含部分段放大后的时域图。c) 治疗后闭眼状态下使用水凝胶导电球测量的脑电图。d) 预处理后闭眼状态下使用导电膏测量的脑电图。

图5. 水凝胶球电极的情感识别。a-d) 经预处理后，水凝胶导电球测量到的睁眼、开心、生气和悲伤状态下的脑电图。e) 脑电图α节律（左）及导电膏和水凝胶球电极获取的脑电信号功率谱密度（右）。f) 不同比例水凝胶球电极和导电膏电极在频域和时域中的情绪识别混淆矩阵分析。g) 不同支持向量机（SVM）在频域和时域分析后，对导电膏和不同比例水凝胶球电极在睁眼、闭眼及情绪识别任务中的准确率统计方差分析。

      本研究成功开发了一种基于铟锡氧化物（ITO）的新型水凝胶球电极，该电极通过精确控制2%前驱体溶液浓度与1:20固化溶液浓度比，实现了卓越的导电性能与稳定性。实验数据显示，电极阻抗显著低于15kΩ，其中76%以上测量值稳定维持在10kΩ以下。在对比实验中，该电极不仅展现出优于传统导电胶的亲水性（接触角仅11.2°），更在情绪识别任务中取得突破性表现。采用两种支持向量机模型分别实现83.5%和99.3%的高识别准确率。其独特的球形设计结合优异的亲水特性，大幅简化了操作流程。值得关注的是，该电极在固化前可通过冷冻运输，这种特性使其兼具医疗级应用的可靠性与民用设备的便捷性，为脑机接口技术的普及提供了创新解决方案。

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