东华大学侯成义《自然·通讯》：选择性频率阻尼和Janus粘附水凝胶，助力临床试验用生物电子接口

保持静止对于准确获取生物电信号至关重要，但是呼吸产生的动态噪声仍然无法避免。各向同性粘合剂通常被用作生物电子接口以确保信号保真度，但它们可能会留下不可逆的残留物，从而影响设备的准确性。东华大学侯成义&上海市第六人民医院王慧/Linpeng Li提出了一种具有选择性频率阻尼和不对称粘附的水凝胶作为生物电子接口。这种水凝胶可以减轻呼吸时的动态噪声，在呼吸频率范围内的阻尼效果比其他频率高60倍。它还表现出高达537倍的不对称粘附差异，从而防止残留物的产生。通过均匀化离子分布、延长德拜长度和增强电场，水凝胶确保了超过10,000个周期的稳定信号传输。此外，它还可以非侵入性地诊断中耳炎，其灵敏度高于侵入性探针，并且在临床多导睡眠图监测中有效，有助于诊断阻塞性睡眠呼吸暂停。该研究以题为“A selective frequency damping and Janus adhesive hydrogel as bioelectronic interfaces for clinical trials”的论文发表在《Nature Communications》上。

图1展示了Janus粘附水凝胶（JAH）的设计原理和特性，包括其不对称粘附性、临床实践应用、不对称粘附机制、银元素分布的截面和表面映射图像以及动态噪声的阻尼机制。通过选择性地设计能量耗散键合和粘附键合，引入的电子导电粒子改善了水凝胶的介电特性，增强了电荷转移，并密集了电场，从而实现了高保真度的生物电信号传输。JAH在呼吸频率范围内展示了60倍于其他频率的阻尼效果，并且具有高达537倍的不对称粘附差异，有效防止了残留物的产生。此外，JAH在长期生物电子接口中表现出卓越的电耐久性，能够进行10000次循环的电荷注入/抽出。因此，JAH作为一种新型的生物电子接口材料，不仅能有效阻尼呼吸频率下的动态噪声，还能确保稳定的信号传输，并且具有长期的使用耐久性。

图1. JAH的设计原理和表征

【JAH的Janus结构形成和Janus粘附】

图2阐述了Janus粘附水凝胶（JAH）的Janus结构形成过程和Janus粘附性能。通过测定JAH的凝胶化时间，并利用动态不稳定性分析JAH在凝胶化过程中不同阶段的Janus结构形成，研究者们能够详细地观察到银纳米粒子在水凝胶中的沉积过程，以及由此产生的不对称梯度分布。此外，通过剥离粘附和剪切粘附测试，揭示了JAH在不同基材上的显著不同的粘附性能，显示出其粘附面与非粘附面之间的粘附差异可达到数百倍。这些发现证实了JAH的不对称粘附特性，这种特性使得JAH在临床应用中，如监测生物电信号时，能够实现对皮肤的有效粘附同时避免在移除时留下残留物。

图2. JAH的Janus结构形成和Janus粘附

【JAH的电气特性】

图3展示了Janus粘附水凝胶（JAH）的电气性能测试结果。通过循环伏安法（CV）测试表明JAH具有比商业EEG凝胶更高的电流密度，并且在多次循环测试中保持了良好的性能。电化学Bode阻抗谱（EIS）测试显示JAH在生理相关频率下具有极低的阻抗（小于50欧姆），并且与非粘附面相比，粘附面的阻抗更低，这表明银纳米粒子的沉积对JAH的电气性能有显著影响。此外，JAH在经过10000次充放电循环后，仍然显示出稳定的电流注入/注入性能，证明了其出色的电化学稳定性。当输入1Hz频率和0.1V幅度的正弦波信号时，JAH没有信号退化或失真，与商业EEG凝胶相比，JAH的电流显著增加，表明其在长期内作为生物电子接口传输电信号的可靠性和效率。因此，JAH具有出色的电气性能和耐久性，适合作为生物电子接口使用，能够保证在不同条件下的高质量信号传输。

图3. JAH的电气特性

【利用JAH诊断中耳炎】

图4展示了Janus粘附水凝胶（JAH）在非侵入性诊断中耳炎中的应用，以及与侵入性探针相比在记录听觉脑干反应（ABR）信号方面的表现。实验结果表明，JAH在健康状态下的小鼠中检测ABR信号的灵敏度高于侵入性探针，具有更低的检测阈值，并且在患有中耳炎的小鼠中，JAH依然能够检测到ABR信号，而侵入性探针则不能。此外，JAH在动态噪声阻尼方面表现出色，能够避免因呼吸噪声导致的信号失真，从而提供更高质量的生物电信号。因此，JAH作为一种非侵入性生物电子接口材料，在中耳炎的诊断中不仅显示出比传统侵入性方法更高的灵敏度和准确性，而且还能有效滤除动态噪声，提高信号质量，展现了其在临床应用中的潜力。

图4. 利用JAH诊断中耳炎

【JAH的临床睡眠监测】

图5展示了Janus粘附水凝胶（JAH）在临床睡眠监测中的应用，特别是在多导睡眠图（PSG）监测中的表现。该图说明了JAH在临床实践中如何使用，以及它与传统商业EEG凝胶相比在PSG电极上的优势。JAH由于其不对称粘附性，可以避免在移除时留下残留物，并且由于其长期稳定性，可以防止因水分流失而导致的问题。通过分析JAH和商业EEG凝胶获得的心电图（ECG）信号，研究表明JAH在0.1至1赫兹的频率范围内对动态噪声有显著的阻尼效果。此外，JAH在捕捉不同睡眠阶段的特征信号方面表现出色，包括清醒、快速眼动（REM）睡眠和其他非快速眼动（NREM）睡眠阶段，并且能够记录睡眠中的ECG信号。因此，JAH在临床PSG监测中不仅能有效阻尼动态噪声，提高信号质量，还能促进对睡眠结构的详细检查，及时识别睡眠障碍，并制定个性化治疗方案，从而有助于提高诊断的准确性。

图5. JAH的临床睡眠监测

【小结】

该研究介绍了一种具有选择性频率阻尼和不对称粘附特性的水凝胶，作为生物电子接口使用。该水凝胶有效地在呼吸频率范围内抑制动态噪声，同时保持出色的电气性能、低阻抗和生物相容性。通过详细分析水凝胶的不对称结构形成过程和电气性能优化机制，研究证实了该水凝胶作为一种非侵入性方法，在检测生物电信号方面比侵入性电极具有更高的灵敏度，这归功于其对动态噪声的阻尼能力。此外，研究还证实了该水凝胶在临床多导睡眠图监测中的有效性，展示了其在帮助临床医生诊断阻塞性睡眠呼吸暂停方面的实用性。基于这些研究，论文认为需要开发具有增强特性的阻尼水凝胶，建立水凝胶与电子设备的坚固集成，并引入先进的制造方法来发展阻尼水凝胶生物电子学。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52833-1