Electrochemically enhanced low-impedance Ti₃C₂Tₓ MXene epidermal electrodes for accurate electrophysiological monitoring

Liubing Fan, Fangfang Gao, Liangxu Xu, Xiaochen Xun, Shuchang Zhao, Bing Yang, Han Bi, Xuan Zhao*, Qingliang Liao*, Yue Zhang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 297

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02132-9

本文亮点

1. 剪切分层，尺寸调控：通过结合前驱体颗粒沉降与温和剪切力分层方法，成功制备出平均横向尺寸达6.5 μm的大尺寸Ti₃C₂Tₓ MXene。

2. 氢键交联，结构调控：利用氢键交联与原位固化技术，构建了具有有序堆叠结构的表皮电极，与商用Ag/AgCl凝胶电极相比，表现出更低的界面阻抗和更高的信噪比。

3. 系统集成，健康监测：集成了便携式采集系统，实现了电生理信号的无线采集，可用于肌肉状态评估与人体健康监测等领域。

研究背景

通过表皮电极精准监测电生理信号，对于推动人机交互界面与可穿戴医疗技术的发展具有重要意义。要实现精准的电生理信号监测，需要具备低界面阻抗的表皮电极，这就要求电极材料兼具导电性与电化学活性。此前的研究多集中于通过材料几何结构或机械设计来降低阻抗，而对电极材料本征电化学特性的优化则关注较少。MXenes是一类二维过渡金属碳化物、氮化物及碳氮化物，兼具金属导电性和独特的电化学特性，在可穿戴电子界面领域引起了广泛关注。目前，研究人员已基于MXene材料开发出多种电子皮肤系统用于电生理信号的采集，显示出MXene作为表皮电极材料的巨大潜力。然而，关于如何精准调控MXene片层尺寸与电化学性质的研究仍较为有限。大量研究表明，较大的横向尺寸有助于提升MXene的性能，但传统的超声分层方法会显著降低片层尺寸。

内容简介

北京科技大学张跃院士、廖庆亮教授、赵璇教授团队制备了一种用于精准电生理信号监测的电化学增强低阻抗Ti₃C₂Tₓ MXene表皮电极，博士研究生樊留兵为论文第一作者。该研究首先通过结合前驱体颗粒沉降与温和剪切力分层策略，合成了平均横向尺寸达6.5 μm的大尺寸MXene纳米片，该材料在电导率和电容性能方面均表现出优异的性能。进一步通过羟乙基纤维素(HEC)界面桥联大尺寸MXene纳米片，构建出有序堆叠结构，提升了材料的电化学性能和柔韧性。与商用Ag/AgCl凝胶电极相比，该表皮电极在电生理信号监测中表现出更低的界面阻抗和更高的信噪比(SNR)。该研究还将便携式采集系统与电极集成，实现了可穿戴场景下的电生理信号获取，并展示了在手势识别与健康监测中的应用潜力。

图文导读

I 低阻抗MXene表皮电极材料设计原理与表征

如图1a所示，由电极-皮肤的等效电路模型可知，界面阻抗的大小取决于电极材料及其几何结构。在特定频率下，高比电容能够在无需增大电极面积的前提下有效降低界面阻抗。如图1b-d所示，通过结合前驱体颗粒沉降与温和剪切力分层工艺，制备出平均横向尺寸达6.5 μm的大尺寸Ti₃C₂Tₓ MXene材料。如图1e-g所示，相较于通过超声方法获得的小尺寸MXene，大尺寸MXene因具有更少的表面缺陷、更小的桥接电阻以及尺寸效应带来的更优的氧化稳定性，表现出更高的电导率和电容。这表明大尺寸MXene更适用于表皮电极的构建。

图1. MXene表皮电极的材料设计原理与表征。

II 氢键交联与原位固化构筑HEC/MXene表皮电极

如图2a所示，该研究引入HEC作为桥联剂，并通过原位固化将HEC/MXene薄膜与PDMS基底无缝集成。HEC的引入增大了MXene层间距，这有效削弱了空间位阻效应，有利于离子扩散，并暴露出更多的电化学活性位点。如图2c、d所示，通过Herman取向因子(f)量化纳米片相对于薄膜平面的排列程度，结果表明HEC改善了纳米片的有序堆叠程度。这种有序堆叠结构的构筑，有效提升了HEC/MXene表皮电极的机械柔韧性与电化学性能。

图2. HEC/MXene表皮电极的制备与性能优化。

III HEC/MXene表皮电极应用性能表征

该研究对HEC/MXene表皮电极的实际应用性能进行了综合评估。如图3所示，该电极显示出优异的适形性和生物相容性，可安全用于电生理信号的采集。电极-皮肤界面阻抗测试结果表明，HEC/MXene表皮电极的界面阻抗低于商用Ag/AgCl凝胶电极。在10 Hz频率下，两者的界面阻抗分别为53 ± 19和436 ± 21 kΩ cm²。如图3i所示，该电极的界面阻抗也低于此前报道的大部分表皮电极。

图3. HEC/MXene表皮电极的应用性能评估。

IV 实现精准电生理信号监测与应用

如图4a、b所示，为实现便携式信号监测，该研究集成了微型采集系统，可通过蓝牙将肌电信号无线传输至用户终端。HEC/MXene表皮电极的信噪比达到39 ± 5 dB，相较商用Ag/AgCl凝胶电极(16 ± 2 dB)提升了2.4倍。这使其可用于肌肉力量评估、手势识别和肌肉疲劳状态的监测。

图4. 便携式监测系统及肌电信号分析。

鉴于HEC/MXene表皮电极优异的综合性能，其还可以用于心电、眼电以及脑电等多种电生理信号的监测。如图5所示，HEC/MXene表皮电极可以实现多种类型电生理信号的高精度监测，这证实了其在健康监测、人机交互、脑机接口等领域的应用潜力。

图5. HEC/MXene表皮电极用于多种电生理信号的监测。

V 总结

该研究通过制备大尺寸MXene纳米片并与HEC复合，使电极兼具优异的电化学性能与高导电性。相较于商用Ag/AgCl凝胶电极及其他类型表皮电极，该电极拥有低的界面阻抗，能够获得更高质量的电生理信号。此外，该研究还集成了微型采集系统，实现了信号的无线传输。该电极可用于高保真记录肌电、心电、眼电和脑电等多种电生理信号，并在手势识别与医疗健康等领域展现出良好的应用前景。这项工作为开发低阻抗干式表皮电极提供了具有潜力的材料选择与性能调控策略。

作者简介

张跃 院士

本文通讯作者

北京科技大学 教授

▍主要研究领域

低维半导体材料及其服役行为的研究；信息、能源和传感领域关键材料与器件应用的基础理论、制备技术和工程应用。

▍主要研究成果

在Science、Nature、Nat. Mater.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Energy、Nat. Electron.等国内外期刊上发表SCI论文500余篇；撰写出版中文专著8部、英文专著5部。获授权专利100余项；以第一完成人获国家自然科学二等奖1项、省部级科技成果一等奖3项、省部级教学成果一等奖2项。

▍Email：yuezhang@ustb.edu.cn

廖庆亮

本文通讯作者

北京科技大学 教授

▍主要研究领域

(1)低维感知材料可控制备；(2)健康监测系统集成。

▍主要研究成果

研制出一维ZnO阵列强束流新型冷阴极，发展了多种基于低维ZnO电磁波宽频强吸收材料，研发了多种轻质、功能集成的可穿戴能源与传感器件，实现了重大工程应用突破。在材料、物理和化学等领域高水平期刊上发表论文200余篇，获授权国家发明专利40余项，参与撰写中英文专著5部。以第2完成人获国家自然科学二等奖1项、省部级科技奖一等奖2项和二等奖1项。

▍Email：liao@ustb.edu.cn

赵璇

本文通讯作者

北京科技大学 教授

▍主要研究领域

(1)低维敏感材料的可控制备与高精度图案化；(2)交互式智能感知系统集成。

▍主要研究成果

近年来，在Sci. Adv.、Adv. Mater.等期刊发表论文50余篇，授权发明专利17项，申请发明专利40余项。入选国家级青年人才，主持国家重点研发计划子课题、工信部专项、国自然面上等项目10余项，参与国防科技重点项目、国自然卓越研究群体项目等重大科技攻关任务7项。

▍Email：xuanzhao@ustb.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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