脑机接口（BCI）具有直接从大脑建立人机交互的潜力。通过分析高时空分辨率的电生理指标，脑机接口可以详细记录脑活动，并将脑电图（EEG）转换为机器指令。脑机接口有许多潜在的应用，例如脑部疾病诊断、康复、残疾人协助、运动员训练、健康监测和外骨骼研究等。根据植入方法和电极传感器相对于头皮的放置位置，脑机接口可分为无创、半创和有创脑机接口。其中，无创脑机接口可以在没有任何程序性感染和组织损伤风险的情况下提取脑电图，因此在日常场景中具有很大的应用潜力。
用于无创脑机接口以获取脑电图的电极通常分为干电极和湿电极两种。干电极由固体导电材料组成，包括金属、导电织物和导电聚合物等，只需与皮肤接触即可记录生理电信号。然而，干电极增加了皮肤接触阻抗，降低了阻抗稳定性，因此，它们对运动伪影表现出更高的敏感性。干电极的其它缺点包括信号噪声增加和信号失真，这是由于接触不足、环境湿度和接触表面的汗水腐蚀造成的。此外，一些干电极，例如金属引脚，会对磁头表面造成损伤。湿电极主要由导电浆料和银/氯化银（Ag/AgCl）组成，银/氯化银是一种具有高交换电流密度、低极化和恒电位的材料。利用导电浆料作为传导介质，可以在电极之间形成离子通道，保证在整个脑电图记录过程中信号基线保持平滑。然而，使用导电浆料的湿电极的设置过程通常复杂且耗时，并且对用户来说会产生不舒服甚至痛苦的感受。此外，对于高密度的电极排列，导电浆料可能会意外流动，导致相邻电极之间的短路。同时，由于导电浆料的快速风干，湿电极记录脑电图的时间只能持续数小时。
为了解决无创电极的上述问题，研究人员提出了半干电极的概念。半干电极可以利用自电解质在电极-皮肤界面建立离子通道，从而实现与湿电极相当的可靠脑电图信号收集，以及类似干电极的更方便的设置。与干湿电极相比，无创半干电极具有更低的接触阻抗、更方便的设置和更好的佩戴舒适性，为下一代脑机接口产品提供了基础。然而，半干水凝胶电极仍然存在一些限制其应用的缺点，包括容易失水而提高阻抗的风险，缺乏鲁棒性和脆性，以及水凝胶在佩戴条件下的安全问题。目前，无创脑机接口长期获取高质量脑电图仍是一个挑战。
据麦姆斯咨询报道，大连理工大学生物工程学院林佳奇教授课题组的研究人员开发了一种半干式双层水凝胶电极，该电极不仅能够以与湿电极相当的分辨率记录脑电图信号，而且还能够实现长达12小时的连续脑电图采集。相关研究成果近期以“Hydrogel electrodes with conductive and substrate-adhesive layers for noninvasive long-term EEG acquisition”为题，发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
该电极由双水凝胶层构成，其中导电层具有高导电性、低皮肤接触阻抗和高鲁棒性；而粘接层可以粘接到玻璃或塑料基底上，以减少穿戴状态下的运动伪影。通过人体工程学设计，研究人员制备了几个不同形状的水凝胶电极，以最大限度地提高水凝胶表面与具有毛发的头皮的接触。在所有这些不同的设计中，双层水凝胶在基底上的组装方式是相同的。在组装过程中，导电水凝胶的下半部分被粘接水凝胶包围，形成环状，从而牢固地附着在塑料基底的内表面上。导电水凝胶的底部与银/氯化银接触，银/氯化银进一步附着在一个4毫米的卡扣上。通过这种组装方式，导电水凝胶可以使用标准的脑电图头部装置以一种易于使用的方式稳定地获取脑电图信号。
图1 双层水凝胶电极的设计策略
由于水凝胶电极在工作条件下与人体表皮接触，因此水凝胶材料的生物相容性对长期脑电图记录至关重要。因此，研究人员对导电水凝胶进行了细胞活力和皮肤刺激试验。图2a显示了导电水凝胶浸泡不同时间段之后的细胞活力。在所有持续不同浸泡时间的测试中，与对照组相比，细胞存活率都超过100%，这表明导电水凝胶没有细胞毒性。接下来，研究人员对导电水凝胶进行了皮肤刺激实验，以进一步探索其生物相容性。研究人员用一只日本白兔作为实验动物，将它背上的毛去掉，并且把水凝胶涂抹在其裸露的皮肤上。结果显示，涂抹导电水凝胶的白兔皮肤表面没有任何红肿或渗出。随后，研究人员对接触组织进行了进一步检查。结果显示，从涂抹水凝胶部位的苏木精和伊红（H&E）染色组织的代表性图像中未见炎症反应（图2（d）右）。因此，以上这些结果证实了导电水凝胶材料具有高度的生物相容性。
图2 导电水凝胶的生物相容性测试
最后，研究人员利用人类志愿者N170和P300事件相关电位（ERP）测试对所开发的水凝胶电极进行了评估。结果显示，水凝胶电极捕获了N170和P300测试中预期的事件相关电位波形，并且波形与湿电极产生的波形具有相似性。相比之下，干电极由于信号质量低而无法检测到触发电位。此外，该水凝胶电极可以获得长达12小时的脑电图信号，并且可以回溯过去7天的测试结果。
图3 通过脑电图（EEG）帽，分别使用湿电极、干电极和水凝胶电极进行N170测试
图4 通过脑电图（EEG）帽，分别使用干电极、湿电极和水凝胶电极进行P300测试
综上所述，该研究提出的半干式双层水凝胶电极能够以一种易于使用的方式长期检测事件相关电位，有望在无创脑机接口的现实场景中开辟许多应用。然而，导电水凝胶材料的保水能力还有进一步提高的潜力，因为电极-皮肤界面的水化作用对降低阻抗至关重要。此外，水凝胶材料抑制细菌生长的能力也没有在该研究中进行。由于水凝胶电极可在人类头皮上循环使用，因此未来的工作应解决细菌抑制能力问题。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00524-0
