在生物医学工程领域，如何从体表无创地监测深层组织活动一直是极具挑战性的课题。血液循环、大脑功能、肌肉运动等深层组织活动蕴含着心血管功能、神经活动及肌肉协调性的关键信息，这些活动可通过体表电位和阻抗变化表现出来。然而，传统电极与人体表面之间存在显著的地形、力学和电学不匹配——人体表面具有高度不规则的宏观与微观形貌（图1a），柔软的皮肤与刚性电极之间的力学差异导致在常规身体活动中接触阻抗剧烈波动，深层组织信号在穿越多层组织及体表接触层后往往遭受严重衰减和干扰（图1b）。这些复杂性使得利用传统平面电子器件建立稳定、低阻抗的生物电接触变得极为困难。

针对上述挑战，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授、黄昱教授合作，提出了一种名为“电功能化体表”的创新技术。该技术通过将生物相容的二维纳米片墨水直接喷涂到人体表面，形成微观共形且具有动态适应性的范德华薄膜。这种薄膜能够无缝贴合非欧几里得、多毛且动态变化的体表，相较于商用凝胶电极，接触阻抗降低了一个数量级以上，并显著抑制了运动伪影。该技术已被证实能够可靠监测多种深层组织活动，包括血液循环、肌肉运动及大脑活动，为日常活动中的连续、非侵入式监测提供了全新解决方案。相关论文以“Electrically functionalized body surface for deep-tissue bioelectrical recording”为题，发表在Nature Biomedical Engineering上。

研究团队采用的“喷涂即固定”工艺非常简单：将二硫化钼纳米片分散在异丙醇中，通过模板直接喷涂到体表，溶剂迅速挥发后留下与皮肤共形的导电薄膜（图1f）。该薄膜厚度仅约20纳米，却具备卓越的拉伸性和电气稳定性——在30%拉伸应变下电阻仅增加30.1%，经100次反复弯曲测试后性能无明显退化。显微镜图像显示，喷涂后的薄膜能够深入覆盖皮肤纹理沟壑，而传统电极在这些区域往往形成气泡和空隙（图1g、h）。对于手臂、颈部等毛发较少区域，研究者使用金-聚合物复合薄膜作为连接电极（图1i）；对于未剃毛的头皮，则直接配合商用脑电图头套使用（图1j），展示了该技术对不同体表区域的广泛适应性（图1k）。

图1：用于深层组织感知的可拉伸且适应性强的电功能化体表。 a，深层组织活动（此处示意为内部应变）被体表电极探测时的电场和应变分布示意图。 b，当接触受到应变时，在接触下方的组织内部（Δρ₁，因杨氏模量失配）、接触界面处（Δρ₂，因部分界面脱离）以及电极内部（Δρ₃，因电极材料形变）可能发生额外的阻抗变化。这些阻抗变化是深层组织活动之外的外源干扰，应予以避免。具体而言，商用凝胶电极和一些干式电极受困于非平面体表处的气泡或气隙（中间白色间隙），导致较大的ρ₂和Δρ₂。 c，范德华薄膜与纹理化体表形成共形界面的顶视图（上）和侧视图（下）。 d，图c的放大视图。二维纳米片在纳米尺度上滑动，在组织形态变化过程中最大程度地减少载流子传输退化，比传统的皮肤共形涂层更能抵抗运动伪迹。此外，无悬挂键的二维基面的疏水性使得纳米片与皮肤脂质双层之间能够无缝粘附，确保低接触阻抗。 e，接触阻抗的等效电路，包括电极电阻（RE）、范德华薄膜内部横向电阻（RL）、MoS₂-皮肤界面电阻（RI）和电容（CI），以及深层组织电阻（RD）。 f，范德华薄膜-电功能化体表的“喷涂即贴”制备流程。分散在异丙醇中的MoS₂纳米片通过掩模直接喷涂在体表。异丙醇快速挥发，留下与体表共形的MoS₂导电薄膜。随后，预涂有薄层导电粘合剂（石墨掺杂糖浆）的金属电极被附着在范德华薄膜-电功能化体表上。 g，通过掩模图案化的范德华薄膜-电功能化体表阵列。由于反射率增强，皮肤纹理清晰可见。标尺，5毫米。 h，图g的放大图。在异丙醇挥发前的瞬时墨水流动过程中，二维薄膜覆盖了体表，包括传统电极无法完全覆盖的沟槽。标尺，1毫米。 i，与固体金属电极的连接。柔性金-SEBS薄膜（左）连接范德华薄膜-电功能化体表与铝胶带，以进一步释放应变。封装应用于毛发较少的区域，包括手臂和颈部。 j，连接到商用头戴式设备的电功能化体表，用于未剃须头皮脑电图测试，电极被夹在头皮上。 k，示意图说明范德华薄膜-电功能化体表探测不同深层组织活动，包括身体产生的电位（心电和脑电）或生物活动期间组织（动脉、肌肉、头皮中的生物流体等）的阻抗变化。图k中的插图使用BioRender创建。 

研究团队对喷涂薄膜的机械与电气稳定性进行了系统表征。照片显示，喷涂形成的电功能化体表在日常活动中可维持长达3天的完整贴附，未见明显脱落（图2a）。该薄膜具有较强的耐水性和耐磨性，经清水冲洗和揉搓后仍保持完好，但使用肥皂水反复揉搓即可完全去除（图2b）。在手指关节这一具有复杂表面形貌和大形变的区域，喷涂薄膜在反复弯曲过程中未出现明显分层或脱落（图2c、d）。电气阻抗谱测试表明，前臂区域的范德华薄膜接触阻抗比商用Ag/AgCl凝胶电极低25倍，且在连续多天的评估中未出现明显增加（图2e）。此外，该薄膜具有高透气性，其水蒸气透过率远高于人体皮肤，这对于减少皮肤刺激和避免汗液引起的分层至关重要。

图2：范德华薄膜-电功能化体表的基础表征。 a，电功能化体表在3天内的照片。 b，未冲洗、冲洗、水中擦拭和肥皂水中擦拭后的电功能化体表照片。标尺，1厘米。 c，指关节上的电功能化体表用于平面内电阻测试。 d，弯曲指关节表面在施加电功能化体表前（上）和后（下）的显微镜图像，显示出相似的皮肤纹理。由于半透明性，裸眼皮肤的光学对比度较低。标尺，100微米。 e，电功能化体表与商用Ag/AgCl凝胶电极在手臂上的接触阻抗谱比较。 f，弯曲的手指的动态电流响应。 g，100次弯曲循环后的电流变化。 

在运动伪影抑制方面，研究团队设计了一项精巧的实验：将振动电机分别施加于体表或导线上，以区分深层组织信号与接触界面伪影（图3a-d）。结果显示，商用Ag/AgCl凝胶电极在导线振动时信噪比下降21.4 dB，而范德华薄膜电极仅下降7.3 dB（图3e、f）。在实际动态条件下监测心电图时，从静息到跑步状态，范德华薄膜电极的信噪比从20.4 dB仅降至18.1 dB，而商用电极则从17.8 dB急剧恶化至2.7 dB（图3g、h）。这一显著差异证明了喷涂式薄膜在抑制运动伪影方面的独特优势——这得益于二维纳米片之间的大面积范德华界面能够发生纳米尺度滑动，避免了传统纳米线网络中因点接触分离导致的阻抗剧烈波动。

图3：运动伪迹表征。 a，使用不同电极的直流电阻测量装置。沿左前臂内侧在两个端子之间施加0.5 V偏压。偏心马达作用于红色斑点区域（皮肤上和导线上），以产生可与身体运动分离的局部机械振荡。 b，作为接触界面的商用Ag/AgCl凝胶电极照片。 c，作为接触界面的范德华薄膜-电功能化体表和定制连接层的照片。 d，无振动、手臂振动和导线振动的布局。 e，范德华薄膜-电功能化体表在无振动、手臂振动和导线振动下的电阻信号及信噪比。 f，商用Ag/AgCl凝胶电极在相同条件下的电阻信号及信噪比。 g，电功能化体表在静息、步行和跑步条件下的心电信号及信噪比。 h，商用Ag/AgCl凝胶电极在相同条件下的心电信号及信噪比。 

对于深层组织阻抗的探测，研究团队首先将其应用于桡动脉搏动的监测。在手腕上方采用四探针交流阻抗测量，90 kHz的交流电流通过外侧两个触点注入，内侧两个触点测量电压降（图4a、b）。结果显示，范德华薄膜电极记录到的动脉搏动波形信噪比商用凝胶垫高8.3 dB，且脉搏峰值更窄——这得益于更小的电极面积避免了空间信号平均（图4c、d）。波形中的收缩期阻抗下降点、舒张期反射波等特征清晰可辨，为心血管健康评估提供了更高分辨率的生理信息。

在更为复杂的颈部发音监测实验中，研究人员将薄膜电极置于两侧锁骨之间，延伸至动态运动的颈部区域，记录受试者发音时的组织阻抗变化（图4e）。对于“U”“C”“L”“A”等不同字母，薄膜电极记录到的波形呈现出可重复的差异化特征（图4f）。相比之下，同一位置的商用凝胶电极记录到的波形在不同字母间无明显区别，噪声水平显著更高（图4g）。研究团队进一步采用最近质心分类算法对26个字母进行分类识别（图4h），四字母分类准确率达96%（图4i），全字母分类亦呈现清晰的系统性相关性（图4j、k）。这充分证明，只有低伪影的接触界面才能真正捕获来自深层组织的微弱信号。

图4：范德华薄膜-电功能化体表探测深层组织阻抗变化。 a，利用阻抗跟踪方法测量动脉脉搏波的机制示意图。脉动血流引起动脉壁周向拉伸，导致阻抗变化ΔZ，从而改变b中四探针测量中接触2和3之间的电压。 b，在手腕上实施范德华薄膜-电功能化体表。四个电功能化体表接触点（1'、2'、3'和4'）图案化在左桡动脉上方的手腕区域（红色渲染）。通过接触点1和4向手臂注入12 μA的90 kHz正弦电流。用锁相放大器捕获接触点2和3之间的交流电压。 c，上：手腕上测得的动脉脉搏波形（红色），以及两前臂之间记录的心电波形（蓝色）。下：稍后在同一手腕上由商用凝胶电极记录的波形。 d，图c在两个脉搏周期内的放大图。为更好地与压力变化相关，对ΔU添加了负号。 e，应用于颈部的范德华薄膜-电功能化体表照片。刚性探测器和连接界面放置在锁骨上，而电功能化体表延伸至有规律运动的颈部区域，以探测下方深层组织阻抗变化。 f，重复发音字母“U”“C”“L”和“A”期间测得的示例波形，显示出明显且可重复的模式。 g，在同一位置用商用Ag/AgCl凝胶电极测得的波形，不同字母之间无可区分模式。 h，用于从测得波形中检索字母的机器学习算法训练与测试流程。在训练阶段，波形被标记为相应的字母以训练算法。在测试阶段，仅向计算机输入原始波形，将输出的预测字母与真实标签进行比较以量化分类准确率。箭头表示信息流。 i，基于图f中测得波形的发声分类。纵轴标注实际说出的字母，横轴标注分类结果。不同颜色表示预测概率。最近质心分类器给出的总体分类准确率为96%。 j，对应于图g的商用Ag/AgCl凝胶电极的分类结果。 k，全部26个字母的分类结果。对角模式表明波形与字母之间存在普遍相关性。

喷涂技术在多毛体表上展现出独特优势。扫描电子显微镜图像显示，喷涂的墨滴能够穿透毛发直达下方皮肤，形成连续的共形导电薄膜（图5a）。在未剃毛的头皮上，喷涂薄膜成功记录了闭眼状态下的特征性α波（8-12 Hz）和β波（约20 Hz），头皮各脑区的α波分布与标准脑电图一致（图5b、c、d），信噪比较商用凝胶电极平均高出7.3 dB，且无需繁琐的头皮准备工作和导电胶填充。

图5：从功能化未剃须头皮探测电信号。 a，范德华薄膜-电功能化体表实施前后牛皮的照片，可视化功能化有毛身体表面的表面形态。喷涂后，由于微观尺度上毛发表面的光散射和吸收增强，完全共形的二维涂层使毛发呈深灰色。喷涂墨水以瞬时气溶胶形式存在，也能穿透毛发到达皮肤表面，形成渗流的范德华薄膜-电功能化体表。由于头皮皮肤表面相对平坦，因反射率增强而呈现银灰色。 b，闭眼状态下使用范德华薄膜-电功能化体表提取的原始脑电图波形。 c，不同位置的傅里叶变换频谱。 d，4分钟内连续追踪的不同脑电频带空间分布。每个柱状图使用30秒时间窗口评估。鼻尖朝上。 

该技术的核心优势——超低接触阻抗与运动伪影抑制——使得研究者得以探索此前难以获取的头皮深层阻抗信号（图6a）。通过将交流电流注入头皮前方两个远距离触点，并在枕区测量电压，研究团队发现多个生理活动对头皮阻抗有贡献：吞咽唾液时产生与吞咽间隔呈正比的阻抗尖峰（图6b、c）；受试者平躺与站立交替时，头皮阻抗随体位改变而变化，且连续多次体位转换后阻抗变化幅度逐渐减小，提示大脑启动了脑血流自主调节机制以稳定脑血容量（图6d、e）。更令人振奋的是，在白光视觉刺激下（5秒照明，5 klux照度），头皮阻抗呈现出快速振荡和持续5-10秒的缓慢上升两种响应模式（图6f、g、h），20次重复刺激均呈现一致规律（图6i）。缓慢响应可能与视觉刺激期间的脑血流消耗与再分布有关，而快速振荡则可能与神经元去极化过程中离子通道开放相关。由于人类颅骨对信号的强烈屏蔽作用，这些阻抗变化幅度仅为0.1%-1%，此前难以清晰分辨；而范德华薄膜电极提供的低阻抗、低噪声接触界面使得这些信号首次得到可靠记录。

图6：头皮深层阻抗测量。 a，测量配置和等效电路，红色虚线表示电场分布。 b，测得头皮阻抗变化的主要贡献因素示意图：神经活动、脑血流和口腔唾液。 c，对贡献头皮阻抗变化活动的探究。吞咽动作由灰色阴影标记。 d，反复站立和躺下期间的头皮阻抗测量，每个姿势每周期保持2分钟。在初始运动相关尖峰之后，信号收敛到平台期，由彩色条标记（蓝色为站立，红色为躺下）。在下一次测试前进行15分钟休息（灰色阴影），以探究脑血流自主调节的记忆效应。插图：每次休息周期之间的六次上下测试中信号变化（Sup - Sdown）/Sup的统计。红色阴影绘制均值和标准差，显示初始增加随后逐渐减少。 e，测量期间用商用袖带式血压计在左臂上测量的血压。躺下时压力降低（左臂保持在上侧），站立时压力增加。舒张压（蓝色）显示出轻微的适应行为，而收缩压（红色）变化较小，表明适应行为与脑区独特相关。 f，使用白光LED进行视觉刺激的示意图，触发神经活动和脑血流再分布。 g，眼睛受光照（黄色高亮）5秒期间的波形。观察到的较慢阻抗变化由海军蓝标记。 h，20.5分钟内20次重复的视觉刺激循环。每次刺激后休息55秒以最小化可能的记忆效应。蓝色框标记图g中的波形。 i，基于图h评估的频谱图。与光照同步的周期性高频振荡（明亮的垂直线）。

本研究通过将二维二硫化钼纳米片直接喷涂于自然皮肤及未剃毛发头皮上，在生物友好条件下构建了稳健的电气-体表界面。该技术的微观共形性与动态适应性有效抑制了外部接触诱发的伪影，使得深层组织电生理活动得以以更高信噪比被探测。研究团队成功实现了对桡动脉脉搏、发音时颈部组织运动、未剃发头皮脑电图、体位变化及视觉刺激下的脑血流响应等多类深层组织活动的可靠监测。该技术为将不规则、动态演化的人体表面功能化为低伪影电气界面提供了通用解决方案，在连续监测日常活动中的深层组织电生理活动方面展现出广阔的应用前景。