无创记录表皮电信号及相关技术推动了对大脑、心脏和神经功能的深入研究。这些信号的采集为疾病的早期诊断、预防干预和个性化治疗提供了有力支持。高保真且稳定的电生理信号记录要求电极同时满足三项关键条件：一是具备足够的柔韧性以贴合皮肤的微观纹理；二是具有足够的粘附力以保持长期牢固附着；三是具备良好的透气性。传统的刚性电极难以同时满足上述需求，因此亟需采用新的策略，制备兼具高度柔韧性、强粘附性和良好透气性的表皮电极。
近日，广东以色列理工学院王燕教授团队在期刊《Biosensors and Bioelectronics》上发表了最新研究成果，题为“Breathable gelatin films with saline-triggered adhesion for wireless sleep and cardiac monitoring”。研究人员通过静电纺丝和浸涂（dip-coating）工艺，制备出基于聚氨酯（PU）纳米网格增强的超薄明胶薄膜，厚度仅为2.4微米。该薄膜在生理盐水触发后表现出与皮肤极佳的贴合度和粘附能力（1.7 mJ·cm⁻²），同时兼具优良的力学性能（在60%应变下经历1500次拉伸-释放循环）和出色的透气性（1339.3 g·m⁻²·day⁻¹）。
此外，生理盐水触发的超薄明胶电极具有优异的耐用性、导电性能和长期储存稳定性。其在黏附48小时后仍保持0.8 mJ/cm²的黏附能，并且在100 Hz频率下表现出低皮肤接触阻抗（36.7 kΩ）。这些特性使得超薄明胶电极在脑电图（EEG）、心电图（ECG）、肌电图（EMG）和运动神经传导速度（MCV）监测中展现出良好的信号稳定性。即使储存30天后，该电极用于心电监测的信号质量仍无明显衰减，从而确保了超薄明胶薄膜在36小时连续心电信号监测过程中保持稳定且高保真的信号记录。
进一步的整夜无线睡眠监测表明，超薄明胶电极具有出色的信号保真度，能够准确获取脑电图（EEG）和心电图（ECG）信号的特征，从而实现可靠的睡眠分期和心率计算。这表明超薄明胶电极是一种性能优良的表皮电极，适用于长期电生理信号监测，在个性化医疗穿戴设备中具有广阔的应用前景。
图1. 超薄、粘附且透气性的明胶薄膜。（A）盐水触发明胶薄膜粘附机制示意图。在干燥状态下（左），薄膜对皮肤无粘附性。经盐水润湿后（右），明胶及柠檬酸中羧基、羟基和氨基等官能团通过氢键和静电相互作用产生强黏附，从而促进其与人体皮肤之间的界面结合。（B）显微图像显示明胶薄膜与人体皮肤的共形贴合。比例尺：500 μm。（C）明胶薄膜黏附于人体皮肤48 小时后的实物照片，表明其具有稳定的皮肤黏附性能。比例尺：5 mm。（D）明胶薄膜在玻璃基底上的截面扫描电子显微镜（SEM）图像，显示薄膜厚度约为2.4 μm。比例尺：2 μm。（E）纳米网增强明胶基质结构的光学显微镜图像。比例尺：10 μm。（F）未封闭瓶、明胶薄膜覆盖瓶与聚对二甲苯薄膜覆盖瓶的水蒸气透过率（WVTR）对比。误差棒表示标准偏差（SD）（n = 3）。
图 2. 明胶薄膜的粘附性能、机械行为和皮肤接触阻抗。（A）商用凝胶电极与超薄明胶薄膜在不同润湿时间（0、1和2秒）后的黏附力–位移曲线。插图显示了使用人工皮肤进行粘附剥离测试的实验装置。（B）商用凝胶与超薄明胶薄膜的黏附能随润湿时间变化的关系曲线。仅经1–2秒润湿即可观察到黏附性能的显著提升。（C）不同佩戴时长（0、24和48小时）后测得的黏附力–位移曲线。（D）黏附能随佩戴时间变化的结果，显示黏附能随时间逐渐降低，但在48小时后仍能保持较高的黏附水平。（E）商用凝胶与明胶薄膜在润湿前后的应力–应变曲线。润湿显著提高了薄膜的拉伸性和韧性。插图为拉伸测试装置示意图。（F）超薄明胶薄膜电极与商用凝胶电极的皮肤接触阻抗谱对比（测量频率范围0.1–100 kHz）。超薄明胶薄膜即使在穿戴48小时后仍保持低阻抗。
图3. 采用明胶薄膜电极实现高保真且稳定的电生理信号采集。（A）明胶薄膜电极用于记录脑电（EEG，Fp2 位点）、心电（ECG，胸部）、肌电（EMG，肱二头肌）以及运动神经传导速度（MCV，拇短展肌）的电极放置示意图。（B）采用商用凝胶电极和明胶薄膜电极，在闭眼状态下记录的代表性 EEG 信号（左）、功率谱密度（PSD）曲线（中）以及时频谱图（右），分别对应器件制备后在环境条件下储存1天和30天的测试结果。（C）商用凝胶电极与明胶薄膜电极在制备后第1天与第30天采集的ECG信号（上）及对应信噪比 （下）。（D）不同电极类型及储存时长下的EMG信号（上）与对应信噪比（下）。（E）商业凝胶电极与明胶薄膜电极记录经过1天及30天储存后的MCV信号。关键信号特征（起始潜伏期与峰值振幅）随时间保持稳定。（F） 使用明胶薄膜电极进行36小时的长期连续心电监测，包括实验室工作、通勤、用餐、小憩/睡眠及办公等日常活动，并显示对应的心率趋势。放大插图清晰呈现实验室工作、通勤、用餐、小憩/睡眠及办公期间的心电图波形与对应心率。
图4. 基于明胶薄膜电极的高保真、长期睡眠监测。（A）整夜记录的代表性EEG和ECG信号（右），并通过局部放大展示了不同时刻信号的清晰度与保真度。左侧为睡眠过程中用于EEG和ECG记录的明胶薄膜电极与无线模块连接的实物照片。比例尺：5厘米。（B）多锥谱图显示整个睡眠周期中EEG信号的时间-频率分布图（上）。标准频段相对功率比 （δ波，θ波，α波，σ波，β波） （中）。基于自动睡眠分期算法生成的睡眠分期图（下），其中 W 表示清醒期，REM 表示快速眼动期，N1–N3 表示非快速眼动睡眠阶段。（C）基于心电图记录绘制的心率曲线，反映了各睡眠阶段的生理动态变化。（D）放大脑电图片段，显示典型睡眠特征：K复合波、纺锤波（N2期）及慢波 （N3期）。（E）各睡眠阶段 （清醒、快速眼动、N1、N2、N3） 的归一化功率谱密度曲线，呈现独特频谱特征。（F）不同睡眠阶段的频段功率比（δ、θ、α、σ、β）。（G）各睡眠阶段总时长分布，反映典型睡眠结构。
综上，兼具超薄特性、良好透气性与高黏附性的明胶薄膜可实现稳定、舒适且高保真的表皮电生理信号采集，展现出突出的应用潜力。尤其在需要长期、连续监测的场景中，如疾病早期筛查与风险预警、闭环治疗反馈控制以及个性化医疗管理等，可为新一代可穿戴医疗设备提供关键的界面材料支撑。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566325011790
人物简介：
王燕博士现任以色列理工学院中国校区——广东以色列理工学院（GTIIT）化学工程系长聘副教授、独立PI及博士生导师，2021年11月加入该校。她2018年博士毕业于澳大利亚蒙纳士大学，2021年于日本东京大学电子电工系完成博士后研究。在电子皮肤领域，王博士发表论文60余篇，其中以一作/通讯作者身份在Science Advances（3篇）, Nature Communications, PNAS, Chemical Society Reviews, and Advanced Materials发表高水平论文40余篇；H指数34，ESI高被引论文5篇；多项澳大利亚/日本/美国/中国专利；入选斯坦福大学/Elsevier Scopus前2%顶尖科学家榜单（2021－2025）、广东省重大人才工程青年项目（2025）、美国化学会表界面科学女性科学家奖（2025）、英国皇家化学会JMCC期刊新锐科学家（2025）、英国皇家化学会Nanoscale期刊新锐科学家（2022）及国家优秀自费留学生奖学金（2018，全球每年500人）等荣誉。其成果被CNN、Science、澳大利亚《Herald Sun》及日本《日刊工业新闻》等国际知名媒体报道。在GTIIT，王燕课题组致力于柔性材料设计与可穿戴电子开发，推动其在健康医疗及物联网等领域的应用。
王燕课题组链接：
https://www.x-mol.com/groups/yanwanglab
