《Progress in Natural Science-Materials International》：Research progress on breathable and self-adhesive skin electrodes
编辑推荐：
摘要皮肤电极作为纳米医学与个性化医疗之间的关键桥梁，是纳米材料赋能精准医疗和闭环治疗系统的基础界面。然而，传统凝胶电极在长期使用中常因凝胶干燥、皮肤刺激和运动伪影而失效，阻碍了其临床转化。近年来，在先进纳米材料和界面工程的推动下，皮肤电极的设计范式已从提升单一性能转向调节电极
摘要
皮肤电极作为纳米医学与个性化医疗之间的关键桥梁，是纳米材料赋能精准医疗和闭环治疗系统的基础界面。然而，传统凝胶电极在长期使用中常因凝胶干燥、皮肤刺激和运动伪影而失效，阻碍了其临床转化。近年来，在先进纳米材料和界面工程的推动下，皮肤电极的设计范式已从提升单一性能转向调节电极-皮肤界面，其中透气性和自粘性是内在耦联、共同决定长期性能的关键因素。本综述从界面调控视角总结了其机理、设计策略及协同集成方案。透气性设计包括被动蒸汽扩散、方向性汗液传输和减少皮肤覆盖面积；自粘性设计包括超薄物理黏附、本征化学黏附和结构增强黏附。基于结构优化、材料设计和界面工程的组合策略，在从慢性病管理的高保真生物电采集到稳健的机械运动追踪等多种应用中进行了比较。当前研究表明，透气电极设计已从提高孔隙率发展为构建具有可控汗液排出的开放网络，而自粘性则从范德华接触演化为涉及氢键、离子相互作用和微观结构互锁的多种机制。这些进展表明，皮肤电极的长期稳定性并非仅由高水蒸气透过率或强黏附力决定，而是由透气性与黏附性之间的界面平衡所主导，该平衡调控着水分传输、接触完整性和信号可靠性。未来的临床转化需要对界面微环境进行系统调控，以确保下一代精准医疗系统的可靠性。
引言
人体电生理和机械信号为健康监测和下一代精准医疗系统提供了关键信息。它们能够揭示组织和器官状态，用于早期疾病检测。这些信号还能将生物意图转化为设备指令。多模态信息的准确和长期采集对于可靠评估和临床决策至关重要。随着智能医学和柔性电子的发展，皮肤电极正从短期测量扩展到日常生活中连续、无创的监测应用。作为心电图（ECG）、肌电图（EMG）和脑电图（EEG）等系统的核心界面，皮肤电极的长期稳定性决定了监测的可靠性和准确性[[1], [2], [3]]。传统Ag/AgCl凝胶电极因皮肤接触阻抗低而被广泛使用。然而，其凝胶层会逐渐脱水、堵塞皮肤，并易受汗液和身体运动干扰，导致长期佩戴过程中出现皮肤刺激、运动伪影和信号退化[4,5]。这些局限性表明，长期监测从根本上是一个界面稳定性问题，而不仅仅是初始接触阻抗的问题。在长期条件下实现稳定和生物相容的皮肤-电极界面，仍然是临床转化和可穿戴系统长期生物安全性的关键瓶颈[6,7]。
为克服上述局限，已开发出先进的纳米材料架构，包括纳米纤维网络、分子工程水凝胶和仿生纳米结构，以提供临床级别的信号采集（图1）[8,9]。自粘电极无需额外粘合剂或固定装置即可保持附着，减少运动伪影并在动态条件下提高信号质量。相关策略包括超薄共形结构、压敏导电基质、仿生微结构和可逆化学相互作用（如氢键和邻苯二酚化学）[10,11]。同时实现强黏附、耐汗性、抗伪影性能和温和去除仍然具有挑战性。水凝胶电极凭借柔软湿润的界面引起了关注，因为仅靠干态黏附无法确保舒适度[12]。水凝胶具有高含水量、可调粘弹性和生物相容性，能更好地适应皮肤起伏，改善信号传输、界面适应性和功能集成[13,14]。
因此，透气性和自粘性需要同时讨论，因为它们从互补但竞争的方向调节同一个动态皮肤-电极界面。自粘性保持紧密接触和稳定的导电通路，而透气性维持热量和水分交换以防止汗液积聚和皮肤不适。过度黏附或致密封装可能阻碍热量和水分散发，而过度多孔或减少接触面积可能削弱黏附力和电连续性[[15], [16], [17], [18]]。因此，长期可靠的皮肤电极需要的不是单一性能的最大化，而是界面处透气性与黏附性之间的平衡。透气性和自粘性相互依存，涉及权衡取舍。高透气性改善汗液蒸发但可能降低黏附性，增强黏附性则可能降低透气性和舒适度[3,19]。汗液分泌和毛发使这一关系更加复杂。当前设计策略聚焦于纳米孔隙率和分子黏附的协同调控，以确保佩戴者舒适度和高保真诊断数据[20,21]。
多孔膜、纳米网和电子织物改善了空气和水蒸气传输，减少汗液积聚并增强舒适度[[22], [23], [24]]。导电聚合物、水凝胶复合材料和仿生粘合结构稳定界面、维持接触并在动态条件下改善信号可靠性[[25], [26], [27]]。长期可穿戴设备需要生物力学兼容性、共形附着和低用户负担之间的平衡[28]。可穿戴系统正朝着集成化、智能化平台发展。电极设计应考虑材料、结构、能源管理和信号处理[29]。多模态传感和系统集成对界面稳定性和适应性提出了更高要求[30]。透气性和自粘性的协同调控对于维持长期界面稳定性、信号保真度和佩戴者舒适度至关重要。本综述探讨了皮肤电极长期稳定运行的策略，重点关注实现透气性和自粘性协同的结构、材料和界面方法，旨在指导下一代透气自粘电极在智能医学中的开发。
各章节摘要
透气性机理与设计策略
皮肤佩戴电极的长期性能在很大程度上取决于皮肤-电极界面的稳定性，而这又依赖于局部热湿环境。大多数可穿戴电极仍依赖于致密聚合物薄膜或弹性体封装。虽然这些连续覆盖层保持了设备完整性，但它们阻碍了空气、水蒸气和汗液的交换。长时间佩戴可能导致皮肤-电极界面处水分积聚，从而破坏皮肤
自粘性机理与设计策略
决定表皮电极长期稳定佩戴的另一个关键因素，与透气性并列，是电极-皮肤界面的自粘性。与外部医用粘合剂不同，自粘界面依赖于电极本身的物理或化学特性，从而减少界面厚度、机械应力、粘合剂残留、刺激及相关信号退化[81]。对于高保真电生理采集而言，稳定的自粘性
透气性与自粘性的协同设计
在阐明透气性和自粘性在长期皮肤电极监测中的各自作用后，可以明确地看出，仅优化其中任一性能对于诊断纳米设备的临床转化和院外慢病管理是不够的。过度透气可能削弱界面锚定，在运动或出汗时导致脱落，而过度黏附可能阻碍皮肤微通道，导致汗液积聚，进而
皮肤界面传感用于生理信号采集
对于纳米医学导向的应用，透气自粘皮肤电极的主要价值在于支持在真实佩戴条件下进行连续生理监测。然而，透气性和自粘性的相对重要性随应用场景而变化。长期电生理监测主要需要低刺激、透气性好的界面，而动态肌肉和运动传感则更强调耐汗黏附和稳定
挑战与未来展望
表皮电极的临床转化需要在走动条件下实现长期界面稳定性。然而，实现长期稳定性需要平衡两个往往相互竞争的界面需求：维持皮肤稳态所需的透气性和确保可靠电极-皮肤耦合所需的黏附性。尽管在透气结构和皮肤黏附界面方面已取得显著进展，但未来表皮电极应超越单纯追求最大化的
CRediT作者贡献声明
黄一帆（Yidan Huang）：撰写——初稿、调查、数据整理。陈晔盈（Yeying Chen）：撰写——初稿、可视化、形式分析。唐正龙（Zhenglong Tang）：撰写——审阅与编辑。曾祖（Zhu Zeng）：撰写——审阅与编辑、指导、方法论。郑强（Qiang Zheng）：撰写——审阅与编辑、指导、经费获取。朱斯勉（Simian Zhu）：撰写——审阅与编辑、指导、经费获取、概念构思。
生成式人工智能及AI辅助技术在论文撰写过程中的声明
在本工作准备过程中，作者使用了ChatGPT辅助语法检查。使用该工具后，作者对内容进行了审查和编辑，并对所发表文章的内容承担全部责任。
资金来源
本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3606900）、国家自然科学基金（项目编号：62461009）和中国博士后科学基金（项目编号：2021M700974）的支持。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的研究工作。
致谢
作者感谢天津大学钟诚教授在本文撰写过程中给予的宝贵指导和建议。作者还感谢所有授予本文所引用图片版权许可的出版商，以及本文引用的所有文献作者。
黄一帆|陈晔盈|唐正龙|曾祖|郑强|朱斯勉
