用于可穿戴神经技术中高保真耳内部脑电图（EEG）的碳纳米管水凝胶电极 亚历山德拉-斯特凡妮娅·米哈伊（Alexandra-?tefania Mihai）、 安娜-玛丽亚·约尔达切（Ana-Maria Iordache）、 莉莉安娜·韦雷什蒂尤克（Liliana Vere?tiuc）、 伊莎贝拉·纳库（Isabella Nacu） 以及奥安娜·格曼（Oana Geman）

《Sensors》：Carbon Nanotube Hydrogel Electrodes for High-Fidelity Intra-Aural EEG in Wearable Neurotechnology Alexandra-?tefania Mihai, Ana-Maria Iordache, Liliana Vere?tiuc, Isabella Nacu and Oana Geman

　　摘要 通过使用耳内脑电图（intra-auricular EEG）技术，可以隐蔽且连续地长期监测大脑活动。这种技术非常适合难以监测的受试者，如新生儿或需要长期、隐蔽的神经生理评估的神经系统疾病患者。耳内脑电图的概念可以通过开发包括可穿戴传感器在内的系统来实现，其性能在很大程度上取决于具有低阻抗的生物相容性电极材料的发展，这些材料能够维持并确保电极与上皮组织之间的稳定接触。基于我们之前关于用于耳内脑电图电极的碳纳米管（CNT）基水凝胶复合材料的研究，本研究重点关注了最初由甲基丙烯酸明胶（GelMA）/2-羟基乙基丙烯酸甲酯（HEMA）制成的水凝胶的电化学特性，这些水凝胶掺杂了不同浓度的CNT（0–3 wt%）。在本研究中，第一阶段获得的材料在液态和干燥条件下通过电化学阻抗谱（EIS）进行了评估，并补充了水分含量的测量。结果表明，含有3% CNT的复合材料表现出合适的性能，使其成为进一步开发用于耳内脑电图应用的3D打印水凝胶电极的有希望的候选材料。等效电路建模显示，与未掺杂的水凝胶相比，其离子和电子导电性有所提高，这归因于更好的CNT分散性和聚合物交联作用。本研究为CNT-水凝胶复合材料的结构-性能关系提供了见解，并为进一步开发3D打印的水凝胶电极以及体外/体内验证的原型奠定了基础。

1. 引言
脑电活动监测的标准方法是脑电图（EEG），该方法通过在头皮上放置电极来记录电位差[1]。然而，随着神经技术领域的创新，可穿戴脑电图技术也取得了显著进展，从而催生了耳内脑电图的概念。通过这种技术，可以利用位于耳道或耳周区域的电极捕获和记录大脑发出的信号。这种新方法便于隐蔽、无创且连续地监测大脑活动[2]。该研究[2]为耳内脑电图的概念奠定了基础，作者提出了、实现了并测试了第一个直接从耳道内部记录EEG的平台。同时，作者通过将耳道捕获的信号与传统的EEG记录方法（涉及在头皮上放置电极）进行比较，使用经典的α衰减范式（眼睛闭合/睁开）证明了这一概念的可行性。所使用的原型包括一个定制的耳塞，其中内置有两个Ag/AgCl电极，这些电极与头皮电极连接到同一个放大器上。获得的结果显示，耳道记录的EEG信号的质量与传统方法相当：信噪比（SNR）与头皮电极记录的信号相似，尽管幅度较低且噪声稍高。此外，观察到与附近的头皮电极（T7和M1）有良好的一致性，并且磁性伪影减少。因此，这项研究证明了耳内脑电图概念在连续和隐蔽记录方面的可行性。

传统的儿科神经学检查依赖于脑部超声和粗大运动技能的神经学检查[3,4,5,6]。这些方法被认为是罗马尼亚新生儿评估的金标准。然而，对烦躁的婴儿进行脑部超声检查很困难，而且对一般运动的评估具有主观性，取决于医生的经验。此外，这些方法只能提供时点测量数据，无法用于评估神经疾病的进展[7]。可穿戴技术提供了连续监测人体生理脑活动的可能性，并能够识别与自闭症谱系障碍（ASD）、焦虑和情绪障碍[8,9]等相关的心血管模式，起到早期预警系统的作用。在新生儿中，耳内EEG方法正在被特别研究，用于检测亚临床癫痫发作和评估大脑成熟度，因为它符合新生儿学的舒适性和安全要求。

尽管耳内脑电图有许多优点，但它也面临一些固有的挑战，这些挑战源于外耳道的解剖学变异性。与传统EEG不同，传统EEG的电极放置在一个相对平坦且易于接触的表面上，而耳内电极必须从空间分辨率较低的区域捕获信号，因为耳内微环境狭窄、弯曲且处于不断运动状态。耳道内有限的和变化的湿度常常会导致电极-皮肤界面在长时间佩戴过程中部分脱水，从而降低记录信号的长期稳定性。使用耳内电极进行信号采集时的一个决定性因素是由于耳垢的存在和积累而导致的电极-皮肤阻抗的高变异性。耳垢作为一种绝缘层，随着佩戴时间的延长，可能会使阻抗增加几个数量级，直接降低记录信号的质量和SNR[10]。下颌运动、头部转动甚至微小的面部表情都会导致电极的微位移，从而引入低频噪声，这些噪声会与重要的大脑节律重叠[11,12,13,14]。

耳内脑电图记录系统的实现始于将先进生物材料整合到最终设备架构中。为了实现最终设备的形态优化和电子小型化，需要采用一种多维方法，包括开发具有生物相容性和保湿特性的先进材料。在这方面，本文提出了掺杂碳纳米管的水凝胶——这是一种可行的策略，可以减少耳内脑电图的局限性，并提供机械柔韧性、提高皮肤相容性和低而稳定的界面阻抗[15]。作为神经科学中的一个创新概念，耳内脑电图为所使用的生物材料开辟了新的前景，代表了先进材料科学和应用神经工程之间的新的交叉点。开发可穿戴EEG传感器的过程始于材料科学，选择合适的传感器材料非常重要。本研究旨在引入一种新材料：一种掺杂碳纳米管的水凝胶电极，以满足导电性要求和制造过程的限制，特别是与3D打印技术相关的限制[15,16,17,18]。

导电水凝胶具有许多优势，包括低界面阻抗和能够长时间使用。一个具体的例子是[19]。在这项研究中，作者开发了一种适用于耳内脑电图电极的水凝胶。合成出的水凝胶具有高导电性，阻抗高达8 Ω。此外，使用这些离子水凝胶基电极进行的记录至少持续了8小时。获得的信号表现出长期稳定性，电极没有对上皮组织造成任何损伤。

另一类表现出高长期稳定性（>8小时）的水凝胶是可注射和自粘性水凝胶[20]。与传统的Ag/AgCl干电极不同，耳内电极的替代方案基于含有CNT/PDMS（聚二甲基硅氧烷）复合材料的干电极，最初在[21]中引入，并在[22]中进行了改进，优化后的版本集成了生物放大器，这些电极更柔软，更适合耳道空间。与基于水凝胶的系统相比，CNT/PDMS复合材料具有隐蔽的设计和可接受的机械柔韧性，但对运动伪影的敏感度较高。

尽管这些方法在受控条件下成功展示了低于8小时的低阻抗和操作稳定性，但大多数现有的基于水凝胶的耳内EEG解决方案仍然依赖于离子导体或在体外制造的复合材料，这些材料仍需要外部凝胶，或者在湿润和干燥条件下缺乏全面的电化学特性。此外，很少有研究将全面的生物学、机械和界面电化学数据整合起来，以明确地朝着定制的3D打印耳内设备迈进。本研究重点分析了将单壁碳纳米管（SWCNTs）（0–3 wt%）掺杂到GelMA/HEMA水凝胶基质中对其实验室阻抗和水分稳定性的影响。最近在3D打印导电水凝胶和生物电极[23,24,25]方面的进展突显了这类材料在定制可穿戴神经技术设备方面的潜力。通过对水分含量进行系统表征，并在液态（PBS）和干燥条件下进行详细的电化学阻抗谱（EIS）测试，含有3 wt% CNT的配方被证明是一种有前途的组成，它在测试样品中表现出最低的电荷传输电阻和最高的水分含量。

虽然当前的工作集中在材料水平的电化学和水合特性上，未来的研究将包括原型制作、3D打印定制的耳内电极以及在真实EE信号下的原位验证。此外，尽管本研究中使用了PBS作为对照电解质，但未来的实验将纳入更现实的测试条件（例如，合成皮脂和耳垢涂层的界面），以更好地反映耳道微环境的挑战。

2. 初步结果
在我们的初步研究[26]中，我们合成了适合用于耳内脑电图电极的导电水凝胶复合材料。这些材料由10%的甲基丙烯酸明胶（GelMA）和2-羟基乙基丙烯酸甲酯（HEMA）制成。使用的单壁碳纳米管（SWCNTs）来自Sigma-Aldrich（产品编号805033-25G）。根据制造商的信息，SWCNTs具有以下特性：碳含量≥85%（SWCNT时超过70%），直径1.3–2.3 nm，管状形态。通过超声处理将SWCNTs分散在GelMA/HEMA前驱体溶液中。复合材料分别掺杂了0 wt%（对照组）、1 wt%（样品1）、2 wt%（样品2）和3 wt%（样品3）的SWCNTs（表1）。交联是通过在室温下使用APS/TEMED氧化还原系统进行的自由基聚合完成的。详细的合成方案，包括确切的量、超声处理参数和纯化步骤，见[26]。表1. 掺杂单壁碳纳米管的GelMA/HEMA水凝胶配方的组成。改编自[26]。获得的样品具有适合皮肤接触的光滑表面。随着SWCNT含量的增加，观察到逐渐变暗和质地变化。由于单个SWCNTs的纳米级尺寸（1.3–2.3 nm），光学显微镜（如果进行的话）无法分辨单个纳米管，主要显示较大的聚集物。

尽管如此，3 wt% SWCNTs在电化学性能上的显著改进和更高的水分含量提供了强有力的间接证据，表明在这种负载下具有更有效的导电网络。需要进行详细的形态学表征（例如SEM或TEM）来定量评估分散均匀性，这将在未来的研究中进行。通过与人类真皮成纤维细胞的直接接触进行了细胞相容性测试。结果表明，24小时后的细胞存活率高于ISO 10993 [27]的阈值。先前的[26]中报告的机械表征显示，随着SWCNT含量的增加，硬度逐渐增加。如图1所示，未掺杂水凝胶（M）的杨氏模量约为50 kPa，而掺有1% CNT的样品约为55 kPa，掺有3% CNT的样品约为85 kPa——与对照组相比提高了约8.6倍。图1. GelMA/HEMA水凝胶的杨氏模量作为CNT浓度的函数（数据来自[26]）。数值以平均值±标准偏差表示（n = 3）。尽管这种在高CNT含量下的增强作用与许多CNT-聚合物复合材料[28,29]报告的较低负载下的典型峰值相反，但可以归因于所采用的有效分散方法（在氧化还原交联之前在GelMA/HEMA前驱体溶液中通过超声分散）以及在这种特定亲水基质内的有利界面相互作用。应该注意的是，这种行为是系统特定的，可能不适用于其他CNT-聚合物系统。

总的来说，之前的生物和机械数据表明，GelMA/HEMA/CNT复合材料具有适合耳内脑电图电极的细胞相容性和可调的机械性能。基于这些有希望的结果，本研究重点关注同一水凝胶配方的电化学特性（水分含量和在液态及干燥条件下的电化学阻抗谱），以确定低阻抗、稳定电极-电解质界面的最佳组成。

3. 材料与方法
电化学阻抗谱（EIS）测量使用OrigaLys电化学工作站（OrigaLys，Rillieux-la-Pape，法国）进行。测量范围为：100 kHz–10 mHz，交流电流范围500 μA，交流电流幅度5 mV，每十倍的频率10 Hz。水凝胶在磷酸盐缓冲盐水溶液（PBS）中预处理了两小时。在水凝胶样品进行EIS测量之前，也是在磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）中预处理了两小时，以达到初始水合平衡。PBS被选中的原因有以下几点：它具有等渗性，适合用于生物相容性实验；它能够保持水凝胶的膨胀特性；并且它能促进交联反应。进行了两种类型的EIS（电化学阻抗谱）测量：
(i) 在液体环境中，使用由参比电极（Ag/AgCl）、对电极（Pt丝）和工作电极（通过鳄鱼夹与水凝胶相连）组成的三电极装置；支持电解质为Alfa Aesar（Thermo Scientific Chemicals，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）提供的磷酸盐缓冲盐水溶液，pH值为7.4。
(ii) 在干燥条件下，使用专为EIS测量设计的可调节两电极平台（一个中空的圆形全氟烷氧基室，内部装有2个圆形钢电极，这些电极通过简单的连接电缆与Origalys电位仪相连；对电极和参比电极在电气上是耦合的；水凝胶样品放置在两个电极之间。该细胞的尺寸为直径5厘米，深度2厘米。两个电极可以独立移动并分别控制。样品（直径约1厘米，厚度约4毫米）被放入EIS细胞中并置于电极之间。为了控制对水凝胶的压缩力，我们利用电极作为压砧。施加在样品上的力是通过拧紧连接到电极的螺丝来控制的。这两种测量的装置如图2所示。图2展示了液体条件（A）和干燥条件（B）下的电化学EIS测量装置。

液体条件下的EIS测量是在PBS（pH 7.4）中进行的，因为PBS是一种标准化的生理电解质，以确保结果的可重复性和可比性。然而，需要注意的是，这种简化的介质并不能复制耳道的复杂组成，特别是人类耵聍的绝缘特性和富含脂质的皮脂环境，这些因素在实际条件下会显著增加界面阻抗。

**4. 结果**
**4.1. 水凝胶的保湿能力**
保湿程度是通过以下公式确定的：
结果如表2所示。表2显示了样品在磷酸盐缓冲盐水（PBS）处理前后的重量变化。水凝胶的保湿程度随着SWCNT（单壁碳纳米管）掺量的增加而呈非单调变化。样品2（2 wt% SWCNT）的保湿能力下降到5.4%/cm2，随后样品3（3 wt% SWCNT）的保湿能力急剧上升至7.4%/cm2，略微超过未掺杂的参考水凝胶（7.2%/cm2）的值。这种非单调行为可以通过CNT（碳纳米管）分散状态及其对聚合物网络微观结构的影响来解释。在中间浓度（2 wt%）时，由于强烈的范德华相互作用和π–π堆叠作用，SWCNT倾向于形成较大的聚集体。这些聚集体会在GelMA/HEMA基质内形成物理障碍，增加局部有效的交联密度，产生疏水性微域，限制聚合物链的运动并减少水分子的自由体积，从而抑制膨胀。相比之下，在3 wt% SWCNT时，较高的纳米填料含量似乎促进了更连通的多孔结构的形成。CNT聚集体的存在破坏了聚合物网络，增加了整体孔隙率，并为水分渗透创造了额外的通道，使得水凝胶的保水性比2 wt%样品更好。这一解释与多项关于CNT-水凝胶复合材料的文献报告一致，这些报告中观察到了非单调的膨胀行为，并通常将其归因于纳米填料在高浓度下引起的微观结构和孔隙形成的变化[15,16,17,30,31]。

需要指出的是，原始的SWCNT具有疏水性表面。本研究中没有进行氧化功能化处理（例如引入羧基）。因此，3 wt%下水凝胶保湿能力的提高不太可能是由于纳米管本身亲水性的增加，而是由于复合材料形态的变化（由于聚集体的形成导致孔隙率增加）。为了直接确认CNT分散状态与观察到的保湿行为之间的关系，需要进行详细的形态学表征（例如SEM或TEM）。

**4.2. 液体条件下的EIS测量结果**
液体条件下的测量结果以Nyquist图的形式展示在图3中，数据是在磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）中获得的，并使用了OrigaMaster5软件生成的相应拟合曲线（图3中的实线红色）。所有样品的行为都不同，但它们与提出的等效电路（EEC）一致，每种情况下χ2值均低于0.001。仅含有聚合物的参考样品在高频（>10 kHz）下表现出电感行为——图3；然而，这种行为是由实验装置产生的寄生现象——图4a。EEC在中低频范围内显示出一个半圆。由于CNT的存在，电导率显著增加，使总阻抗降低了两个数量级以上。这样就掩盖了寄生电感的影响，主导的界面过程转向了电阻-电容区域。

不同CNT载荷样品的行为如下：
(i) 样品1在高频和中等频率下显示出一个半圆，然后在低频范围内表现出线性行为——图4b。
(ii) 样品2在高频和中等低频下分别显示两个半圆——图4c。
(iii) 样品3也显示两个半圆——图4d。不同的阻抗行为与聚合物中CNT的载荷有关；更具体地说，复合材料的孔隙率显著影响了谱线。其原因是，在聚合物中加入CNT后，电导率增加，电阻降低。

在Nyquist图中，Xmin表示电解质电阻，即电解质溶液的电阻以及水凝胶孔隙中的溶液电阻。由于所有样品都在相同的溶液（PBS，pH = 7.4）中处理，确保了相同的离子浓度和类型，并且在相同配置下进行测量，且具有相似的面积（更不用说，电解质溶液和处理溶液是相同的），因此Xmin的变化归因于水凝胶的形态和CNT的掺杂。因此，表3显示了不同样品Xmin的变化。主要观察结果是，CNT载荷越高，Xmin越低：3.309（参考样品，0% CNT载荷）> 0.3079（样品1，1% CNT载荷）> 0.1184（样品2，2% CNT载荷）> 0.059（样品3，3% CNT载荷）[32]。样品2和3的阻抗最为复杂：可以观察到两个半圆，其等效电路由3个电阻器和2个电容器组成，对应于水凝胶的电容和电阻特性（双层电容和Rct），以及表面特性。与保湿能力相关的是，样品3的实验数据显示出最高的保湿性和最低的电阻。这可以通过复合材料的致密性和结构均匀性来解释[11]。表3总结了阻抗参数，等效电路在图4中展示。

表3中半圆的直径代表电荷转移电阻（Rp），该电阻包括支持电解质的电阻、复合材料（聚合物基质+聚合物孔隙中的电解质溶液）的电阻，以及复合材料与电流收集器（在我们的案例中是鳄鱼夹）之间的接触电阻。对于所有样品，Rp的值都高于Rs的值。然而，含有CNT的样品的Rp值低于纯聚合物的值，这表明在水凝胶中掺入CNT可以提供更好的界面接触和更快的离子传输[32]。导电网络的形成得到了Rs和Rct值逐渐降低的反比例关系的支持，这也导致了CNT含量的增加。样品3（按重量计3%的CNT）表现出最低的总电阻（约0.84 Ω·cm2）和最高的CPE值，表明其具有更快的离子传输和更优的界面电容。CPE是一个代表双层非理想电容的常数相位元素（n ≈ 0.8–0.95表示表面不均匀性），在表3中以相关性形式呈现。

**4.3. 干燥条件下的EIS测量结果**
干燥条件下（无外加电解质）通过EIS测量的阻抗结果从某种程度上支持了液体介质中的EIS结果（图4），因为样本3的导电性最高。然而，与液体介质（PBS）中的测量结果相比，观察到了完全不同的行为，因为电解质的缺失影响了水凝胶的性能。图5进一步说明了这一点，其中完整的EIS谱无法用任何已知的等效电路拟合，所有样品的阻抗值增加了几个数量级，达到MΩ·cm2的范围。它们在Nyquist图中的分布是随机的，数据点分散且不可重复，无法用任何传统的等效电路模型很好地拟合（χ2值> 0.1），表明了高度多孔的结构。图5显示了干燥条件下的样品EIS结果。干燥条件下EIS数据的这种“随机性”通过加权残差的拟合得到了证实，这些残差在零轴周围随机分散，没有明显的趋势。随机分布的主要原因是信噪比（SNR）低，这主要是由于缺乏电导率导致的，进而导致阻抗非常大（接近仪器的极限）。等效电路模型与测量数据之间的不匹配是由于存在大量和/或众多的缺陷和孔隙[33]。图5表明，随机缺陷和孔隙显著影响了EIS数据的变异性，破坏了聚合物复合材料的电导率，使得样品1和2的电阻增加。然而，对于样品3（如图5所示），这种多孔结构是连通且具有导电性的，表明信号是由CNT-聚合物交联链传导的。

在干燥条件下（无外加电解质）通过EIS测量的阻抗表明，样品3的电阻最低。然而，与液体介质（PBS）中的测量结果相比，观察到了截然不同的行为。所有样品的阻抗都增加了几个数量级，达到MΩ·cm2的范围。如图5所示，数据点分散且随机，无法用任何传统的等效电路模型很好地拟合（χ2 > 0.1）。这种变异性很可能是由于电极-水凝胶接触不完善以及电解质完全缺失造成的，导致界面极不稳定。

我们意识到，干燥条件下的这种不可重复行为使得目前无法将这种配方视为可靠的医疗或高保真度EEG监测传感器。尽管3 wt% SWCNT样品显示出最低的相对电阻，暗示了存在一个渗透性的导电网络，但这些结果仅表明了CNT网络的潜在稳健性。它们并未证明该材料能够可靠地捕获微伏级EEG信号。为了正确评估材料的“高保真度”潜力，未来的工作将包括使用模拟微伏级EEG信号（例如，频率为1–40 Hz、幅度为5–50 μV的正弦波信号）以及在OpenBCI系统中集成的原型电极进行台式测试。这些实验将允许定量评估信噪比（SNR），并与传统Ag/AgCl电极进行直接比较。

**4.4. 对实际耳内EEG应用的启示**
耳道是一个半干燥的微环境，其中存在耵聍（耳垢），导致湿度低且波动。因此，在干燥条件下进行的EIS测量代表了必须考虑的最不利情况，即长时间使用可能导致水凝胶部分脱水。在干燥条件下，所有样品的阻抗增加了几个数量级，达到MΩ·cm2的范围。数据点非常分散，无法用任何传统的等效电路模型进行满意拟合（χ2 > 0.1）。这种行为突显了水凝胶对脱水的强烈敏感性，对于耳内脑电图（EEG）应用来说是最不利的情景。鉴于典型的EEG采集需要电极-皮肤阻抗低于5–10 kΩ，目前的配方还不能被认为是完全干燥条件下的独立固体电极。尽管如此，即使在没有外部电解质的情况下，3wt%的SWCNT样品在测试组中仍保持了最低的相对电阻，这表明存在一个基于CNT的导电网络。虽然这表明了导电网络的潜在稳健性，但并未证明该材料能够可靠地捕捉微伏级EEG信号。保持最低水平的水合作用对于实际性能至关重要。因此，加入保湿剂（如甘油或二元水-甘油混合物）不仅是未来的优化方向，也是实现耳道微环境中稳定、长期运行的必要组成部分。

尽管PBS为电化学表征提供了一个有用的基准，但它没有考虑到耳垢的存在，耳垢是一种天然绝缘体，可以显著增加电极-皮肤阻抗。未来的研究将包含更现实的测试界面，包括合成皮脂和涂有耳垢的表面，以更好地评估水凝胶电极在耳内环境中固有的挑战下的性能。

5. 讨论
电化学阻抗谱（EIS）是一种通过等效电路模型来模拟电极-电解质界面发生的电化学过程的强大工具。然而，由于SWCNT掺杂的GelMA/HEMA复合体的复杂性，单一等效电路无法完全描述所有观察到的特征。在高频范围内，未掺杂的水凝胶（样品1）表现出电感成分，而在加入SWCNT后该成分消失，被半圆形曲线取代。在中频范围内，所有样品都显示出半圆形行为。从半圆形的直径可以推断出孔隙内电解液的电阻。随着SWCNT含量的增加，这种电阻显著降低——从未掺杂和低浓度样品的几个kΩ降低到样品3的大约0.72 Ω·cm2。这表明SWCNT的存在显著增强了水凝胶基质内的离子导电性。在水凝胶/电解质界面的电荷转移电阻（Rct）也随着SWCNT负载的增加而逐渐降低，样品3的值最低。由于Rct低于溶液电阻，3wt%的SWCNT水凝胶显示出更好的界面导电性和更快的离子传输速度。这些电化学改进与水合能力的结果相吻合：样品3表现出最高的水合度和最低的总体阻抗。这种行为与3wt% SWCNT负载下形成更有效的导电渗透网络是一致的。

在干燥条件下，所有样品的阻抗增加了几个数量级，达到MΩ·cm2的范围。数据点变得非常分散，无法用传统的等效电路模型进行满意拟合（χ2 > 0.1）。这种急剧增加凸显了水凝胶对脱水的强烈敏感性，代表了耳内应用的最不利情景。鉴于典型的EEG采集需要电极-皮肤阻抗低于5–10 kΩ，目前的配方还不能被认为是完全干燥条件下的独立固体电极。尽管如此，样品3在测试组中仍保持了最低的相对电阻，这表明即使在没有外部电解质的情况下也存在一个基于CNT的导电网络。

6. 结论和未来研究方向
本研究从电化学角度考察了GelMA/HEMA/SWCNT复合水凝胶，旨在开发用于耳内EEG电极的先进材料。基于我们之前工作中报告的初步细胞相容性和机械特性[26]，本研究系统地评估了水合能力，并在液体（PBS）和干燥条件下进行了详细的电化学阻抗谱（EIS）分析。结果表明，3wt% SWCNT配方在测试组中显示出最低的电荷转移电阻、最高的双层电容和最高的水合能力。这些性质表明与较低SWCNT负载和未掺杂的水凝胶相比，形成了更有效的导电渗透网络，使得3wt% SWCNT水凝胶成为本研究中最有前景的配方。尽管3wt% SWCNT水凝胶表现出有希望的电化学性能（即低电荷转移电阻和高水合能力），但其传递高保真度EEG信号的能力仍有待验证。由于尚未进行实际的或模拟的EEG信号采集，该材料还不能被视为适用于EEG应用。未来的研究将专注于通过3D打印定制的耳内电极，并将其集成到功能性耳内EEG原型中。通过使用开源OpenBCI EEG系统，在受控实验室条件和实际环境中与传统的Ag/AgCl电极进行比较测试，来验证该系统的性能。关键评估参数将包括捕捉基本神经信号的能力（例如，α节律衰减和眨眼伪迹）、信噪比（SNR）、与头皮EEG记录的时间相关性、对运动伪迹的抵抗力以及长期水合稳定性（可能通过加入保湿剂得到增强）。进一步的验证将使用合成皮脂和涂有耳垢的界面来评估耳垢的绝缘效果。