腦機接口（BCI）具有直接從大腦建立人機交互的潛力。通過分析高時空分辨率的電生理指標，腦機接口可以詳細記錄腦活動，并將腦電圖（EEG）轉換為機器指令。腦機接口有許多潛在的應用，例如腦部疾病診斷、康復、殘疾人協助、運動員訓練、健康監測和外骨骼研究等。根據植入方法和電極傳感器相對于頭皮的放置位置，腦機接口可分為無創、半創和有創腦機接口。其中，無創腦機接口可以在沒有任何程序性感染和組織損傷風險的情況下提取腦電圖，因此在日常場景中具有很大的應用潛力。
用于無創腦機接口以獲取腦電圖的電極通常分為干電極和濕電極兩種。干電極由固體導電材料組成，包括金屬、導電織物和導電聚合物等，只需與皮膚接觸即可記錄生理電信號。然而，干電極增加了皮膚接觸阻抗，降低了阻抗穩定性，因此，它們對運動偽影表現出更高的敏感性。干電極的其它缺點包括信號噪聲增加和信號失真，這是由于接觸不足、環境濕度和接觸表面的汗水腐蝕造成的。此外，一些干電極，例如金屬引腳，會對磁頭表面造成損傷。濕電極主要由導電漿料和銀/氯化銀（Ag/AgCl）組成，銀/氯化銀是一種具有高交換電流密度、低極化和恒電位的材料。利用導電漿料作為傳導介質，可以在電極之間形成離子通道，保證在整個腦電圖記錄過程中信號基線保持平滑。然而，使用導電漿料的濕電極的設置過程通常復雜且耗時，并且對用戶來說會產生不舒服甚至痛苦的感受。此外，對于高密度的電極排列，導電漿料可能會意外流動，導致相鄰電極之間的短路。同時，由于導電漿料的快速風干，濕電極記錄腦電圖的時間只能持續數小時。
為了解決無創電極的上述問題，研究人員提出了半干電極的概念。半干電極可以利用自電解質在電極-皮膚界面建立離子通道，從而實現與濕電極相當的可靠腦電圖信號收集，以及類似干電極的更方便的設置。與干濕電極相比，無創半干電極具有更低的接觸阻抗、更方便的設置和更好的佩戴舒適性，為下一代腦機接口產品提供了基礎。然而，半干水凝膠電極仍然存在一些限制其應用的缺點，包括容易失水而提高阻抗的風險，缺乏魯棒性和脆性，以及水凝膠在佩戴條件下的安全問題。目前，無創腦機接口長期獲取高質量腦電圖仍是一個挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，大連理工大學生物工程學院林佳奇教授課題組的研究人員開發了一種半干式雙層水凝膠電極，該電極不僅能夠以與濕電極相當的分辨率記錄腦電圖信號，而且還能夠實現長達12小時的連續腦電圖采集。相關研究成果近期以“Hydrogel electrodes with conductive and substrate-adhesive layers for noninvasive long-term EEG acquisition”為題，發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
該電極由雙水凝膠層構成，其中導電層具有高導電性、低皮膚接觸阻抗和高魯棒性；而粘接層可以粘接到玻璃或塑料基底上，以減少穿戴狀態下的運動偽影。通過人體工程學設計，研究人員制備了幾個不同形狀的水凝膠電極，以最大限度地提高水凝膠表面與具有毛發的頭皮的接觸。在所有這些不同的設計中，雙層水凝膠在基底上的組裝方式是相同的。在組裝過程中，導電水凝膠的下半部分被粘接水凝膠包圍，形成環狀，從而牢固地附著在塑料基底的內表面上。導電水凝膠的底部與銀/氯化銀接觸，銀/氯化銀進一步附著在一個4毫米的卡扣上。通過這種組裝方式，導電水凝膠可以使用標準的腦電圖頭部裝置以一種易于使用的方式穩定地獲取腦電圖信號。
圖1 雙層水凝膠電極的設計策略
由于水凝膠電極在工作條件下與人體表皮接觸，因此水凝膠材料的生物相容性對長期腦電圖記錄至關重要。因此，研究人員對導電水凝膠進行了細胞活力和皮膚刺激試驗。圖2a顯示了導電水凝膠浸泡不同時間段之后的細胞活力。在所有持續不同浸泡時間的測試中，與對照組相比，細胞存活率都超過100%，這表明導電水凝膠沒有細胞毒性。接下來，研究人員對導電水凝膠進行了皮膚刺激實驗，以進一步探索其生物相容性。研究人員用一只日本白兔作為實驗動物，將它背上的毛去掉，并且把水凝膠涂抹在其裸露的皮膚上。結果顯示，涂抹導電水凝膠的白兔皮膚表面沒有任何紅腫或滲出。隨后，研究人員對接觸組織進行了進一步檢查。結果顯示，從涂抹水凝膠部位的蘇木精和伊紅（H&E）染色組織的代表性圖像中未見炎癥反應（圖2（d）右）。因此，以上這些結果證實了導電水凝膠材料具有高度的生物相容性。
圖2 導電水凝膠的生物相容性測試
最后，研究人員利用人類志愿者N170和P300事件相關電位（ERP）測試對所開發的水凝膠電極進行了評估。結果顯示，水凝膠電極捕獲了N170和P300測試中預期的事件相關電位波形，并且波形與濕電極產生的波形具有相似性。相比之下，干電極由于信號質量低而無法檢測到觸發電位。此外，該水凝膠電極可以獲得長達12小時的腦電圖信號，并且可以回溯過去7天的測試結果。
圖3 通過腦電圖（EEG）帽，分別使用濕電極、干電極和水凝膠電極進行N170測試
圖4 通過腦電圖（EEG）帽，分別使用干電極、濕電極和水凝膠電極進行P300測試
綜上所述，該研究提出的半干式雙層水凝膠電極能夠以一種易于使用的方式長期檢測事件相關電位，有望在無創腦機接口的現實場景中開辟許多應用。然而，導電水凝膠材料的保水能力還有進一步提高的潛力，因為電極-皮膚界面的水化作用對降低阻抗至關重要。此外，水凝膠材料抑制細菌生長的能力也沒有在該研究中進行。由于水凝膠電極可在人類頭皮上循環使用，因此未來的工作應解決細菌抑制能力問題。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00524-0
