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脑科学作为二十一世纪最重要的科学前沿领域之一,亟需无损脑电检测技术的支持。然而传统的脑电测量,需要在电极和头皮之间注射导电胶作为电解质通路,给使用者带来诸多不便,如清理头发等,限制了脑电技术在新领域的发展。所以开发不需要使用导电胶的新型脑电电极迫在眉睫,成为全球研究的热点。针对该问题,本文尝试研发了两种新型脑电电极替代传统加导电胶的电极(湿电极)。第一种思路是开发一种高强度的有机-无机分子杂化水凝胶,将该水凝胶与电极结合,利用水凝胶作为连接电极与头皮的电解质通路。第二种思路是将电极和电解质溶液盛放在一个空腔结构中,通过多个柱状空心管道引导电解质溶液连通头皮和电极,并在管道内原位聚合大孔水凝胶,缓释电解质溶液。水凝胶的机械强度是限制其应用的一个关键问题。本论文探索了利用有机-无机分子杂化材料增强水凝胶机械强度的方法,制备了一种氨基硅倍半氧烷杂化的聚丙烯酰胺水凝胶。在开发该水凝胶的过程中,我们进一步研究了有机-无机杂化材料的制备方法——溶胶-凝胶法,并尝试解决该法制备有机-无机杂化材料的两个关键问题：(1)水解缩合反应受多种条件因素的影响：(2)反应难以进行完全而造成产物稳定性问题。探索出了一条改进的制备途径,可以用于大规模工业化生产,且为我们制备用于脑电电极的高强度的水凝胶提供了技术支撑。基于以上思路,本论文的具体内容如下：第二章提出了一个基于溶胶-凝胶法的高效合成硅倍半氧烷的方法,并研究了水／硅烷的投料摩尔比对产物性能的影响。本研究以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为例,通过盐酸催化的水解缩合反应制得低聚硅倍半氧烷(MASSQ),总用时可控制在10小时以内。随着水／硅烷前体的比例增大,产物的粘度逐渐增大,光学透明度下降,流变性由牛顿流体转变为非牛顿流体,说明产物逐渐由均相体系变为异相体系。当水/硅烷的摩尔比为3时,产物的可加工性和光学透明性最佳。通过红外光谱(FTIR)、核磁氢谱(1H NMR)、核磁硅谱(29Si NMR)、基质辅助激光解吸电离飞行时间(MALDI TOF)质谱、电喷雾电离(ESI)质谱的表征可知,产物由四聚至十三聚的低聚体组成,其中包含全缩合的笼型六聚体、八聚体和十聚体,以及含有少量羟基或甲氧基的不完全反应产物。第三章探索了一条新途径,利用异氰酸酯解决溶胶-凝胶法产物的稳定性问题,并可制备多功能的有机-无机杂化材料。该法先用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与丙烯酸羟乙酯(HEA)合成单异氰酸酯化合物IPDI-HEA,再以足量IPDI-HEA与MASSQ反应得到MASSQ-UA。结构表征的结果表明,IPDI-HEA与MASSQ内的活性硅羟基发生了化合反应,并成功引入了丙烯酸酯官能团。光学和流变学行为研究均表明,MASSQ-UA为均相体系,具备良好的可加工性。耐热性能以及光固化膜的耐水性能测试均表明,MASSQ-UA的稳定性要优于MASSQ。综合以上结果证明了该方法能够有效提高溶胶-凝胶法制备的杂化材料的稳定性,为有机-无机分子杂化材料的设计和工业化生产提供了一条可行的途径。第四章制备了一种高强度的新型有机-无机分子杂化水凝胶,并按照前述第一种思路研制了一种新型脑电电极。利用论文第2章中制备MASSQ的方法合成了氨基硅倍半氧烷(AmSSQ),然后运用氮杂-麦克尔加成反应对AmSSQ进行衍生化,使其表面带有双键,最后与丙烯酰胺(AAm)聚合制得AmSSQ-c-PAAm有机-无机分子杂化水凝胶。研究了水/硅烷偶联剂摩尔比为1.5和3.0时,产物AmSSQ的水解缩合程度,并运用FTIR、1H NMR和29Si NMR表征了AmSSQ的结构。分别用占单体质量2%,5%和10%的AmSSQ合成了三种杂化水凝胶,并与PAAm水凝胶对比。研究发现,AmSSQ的加入量对水凝胶的吸水速率和平衡吸水率影响较小,而对机械强度的提升较大。其中用5%的单体质量的AmSSQ制得的水凝胶的机械强度最大,达到了97.8 kPa,较PAAm水凝胶的机械强度(55.2 kPa)提高了77%。进一步用该杂化水凝胶制备了脑电电极,电化学阻抗谱的研究表明,该电极的电极-皮肤阻抗在20Ω以内,最优可达7kΩ,已接近商用湿电极的应用水平(<10 kΩ)。且连续使用1小时后,电极的阻抗还略有降低。在脑电图睁-闭眼实验和稳态视觉诱发电位(SSVEP)实验中,使用杂化凝胶电极均采集到了明显的信号,且信号的波峰频率和幅值均与商用湿电极的结果一致。表明该杂化水凝胶脑电电极已具备应用于脑电测量的潜力。第五章按前述第二种思路研制了一种新型脑电电极。该电极内部空腔内含有电解质溶液和Ag/AgCl粉末烧结电极,能快速建立电极-电解质界面。电极前端做成了三维梳状结构,能够穿过头发与头皮接触。为解决电解质溶液的缓释问题,在梳齿管道内部通过冷冻凝胶化法原位聚合了超大孔水凝胶,实现了引导和节流电解质溶液的效果。电解质溶液通过梳齿管道直接浸润头皮,从而有效降低电极-头皮之间的阻抗。阻抗测试结果表明,在10Hz下,每位受试者的电极-头皮的平均阻抗均在20 kΩ以下,且电极工作1小时后,平均阻抗仍不超过27 kΩ,完全满足脑电测试需求。脑电实验(睁-闭眼测试和SSVEP)结果显示,该电极可以得到与商用湿电极相似的高质量的EEG信号,表明该大孔水凝胶脑电电极已具备应用于脑电信号测量的潜力。