多功能水凝膠傳感界面，實現(xiàn)腦電信號高質量無創(chuàng)采集

無創(chuàng)地從人體表面采集高質量的腦電信號一直是一項極具挑戰(zhàn)性的任務。高質量的腦電信號不僅能用于腦部相關疾病的診療，也能用于評估持續(xù)性注意力水平，在航空航天、外科手術、軍事行動等高難度任務領域具有重大應用價值。然而，現(xiàn)有的腦電采集系統(tǒng)通常笨重而復雜，不但會影響受試者的腦活動，而且噪聲功率高、抗干擾能力差。因此，開發(fā)一種便攜、穩(wěn)定的傳感電極用于獲取高質量的腦電信號仍是一項亟待解決的科學難題。

近期，中國科學院過程工程研究所白碩研究員、閆學海研究員和王安河副研究員聯(lián)合清華大學張沕琳副教授提出了采用多功能水凝膠傳感界面的策略來解決無創(chuàng)采集高質量腦電信號的問題。通過多功能納米顆粒增強效應和均質網(wǎng)絡效應同時構建導電性、粘附性、柔性、彈性、生物兼容性和透明性俱佳的水凝膠體系，用于建立人體組織和電極之間高效穩(wěn)定的傳感界面，從而實現(xiàn)直接從人體表面采集到高質量的腦電信號?；谠撍z的多通道電極輕巧便攜，具有在線信號分析、無線信號傳輸?shù)哪芰?，且穩(wěn)定性優(yōu)異（圖1）。進一步通過算法將采集到的腦電信號轉化為注意力水平并可從低到高細分為7個等級，各等級平均預測準確度可達91.5%。該研究以題為“Hydrogel Nanoarchitectonics of a Flexible and Self-adhesive Electrode for Long-term Wireless Electroencephalogram Recording and High-accuracy Sustained Attention Evaluation”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Materials》上，文章第一作者為中科院過程所博士生韓青權和清華大學博士生張超。

多功能水凝膠傳感界面的構建及注意力水平的評估

圖1 PVA-PVP-PDA NPs多功能水凝膠的設計、制備及應用

多功能聚多巴胺納米顆粒的制備及表征

受貽貝啟發(fā)的聚多巴胺（PDA）是常見的用于增強水凝膠粘附性和導電性的材料，但不穩(wěn)定性以及對可見光的吸收特性限制了其應用。該研究采用自由基氧化降解法處理PDA，得到納米尺寸的球形聚多巴胺納米顆粒（PDA NPs）。相較于PDA，氧化降解得到的PDA NPs在水溶液中更穩(wěn)定、分散更均勻，且?guī)缀鯚o色透明。結合紫外-可見光吸收光譜、紅外光譜、XPS、質譜、熒光發(fā)射光譜和Boehm滴定分析，研究人員認為PDA是由納米聚集體通過非共價作用力（如π堆積）形成。氧化降解過程中，自由基破壞了這類非共價作用力，從而產生了納米尺寸的PDA NPs。與此同時，PDA中含有的典型結構5,6-二羥基吲哚（DHI）及其衍生物經氧化裂解途徑部分（~10%）轉化成了吡咯酸單元。吡咯酸單元缺乏大共軛體系，對可見光波無明顯吸收，尺寸效應和吸收效應共同導致PDA NPs變得無色透明（圖2）。

圖2 PDA氧化降解形成PDA NPs

多功能聚多巴胺納米顆粒的粘附增強效應及水凝膠力學性能調控

PDA NPs中既含有兒茶酚基團（DHI單元），也含有羧酸基團（吡咯酸單元）。羧基具有吸收界面水合層以及與組織表面的羧基/氨基形成氫鍵的特性，因此含有PDA NPs的水凝膠表現(xiàn)出對人體組織更高的（濕）粘附強度。另一方面，該研究選用聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）交聯(lián)形成均質網(wǎng)絡水凝膠，柔性的高分子鏈以及均勻交聯(lián)的網(wǎng)絡賦予了水凝膠低模量、高彈性的性質。PDA NPs中的羧基能和PVA中的羥基形成酯鍵，一方面保障了其在整個凝膠網(wǎng)絡中均勻穩(wěn)定地分布，另一方面可用于調節(jié)PVA和PVP之間的交聯(lián)密度，從而調控水凝膠的力學性能（圖3）。

圖3 水凝膠的粘附性能和力學性能

多功能聚多巴胺納米顆粒的導電增強效應

PDA NPs均勻地分布在整個凝膠網(wǎng)絡中，其中的羧基電離后的羧酸根負離子作為固定離子，水凝膠制備過程中引入的氫離子、鈉離子等陽離子作為反離子，亦均勻分布于整個凝膠網(wǎng)絡中，為水凝膠提供了優(yōu)異且穩(wěn)定的導電性能（圖4）。

圖4 水凝膠的電學性能

水凝膠電極的制備及性能

多功能水凝膠的制備條件溫和簡單，采用模具轉印法制備得到的多通道水凝膠電極表現(xiàn)出良好的通道一致性，能與皮膚組織形成共形的、穩(wěn)定的傳感界面。接觸阻抗低（3~4 kΩ），噪聲功率小（2.85 μV2），僅為商用凝膠電極的1/702。其對前額腦電信號的采集能力與標準腦電帽相當，并且具有較長期的穩(wěn)定性能，連續(xù)使用7天后無明顯性能衰減，在出汗以及運動條件下也具有相當好的穩(wěn)定性，可在日常生活中使用（圖5）。

圖5 水凝膠電極的性能

基于前額腦電信號的注意力水平預測

將多通道水凝膠電極貼附在前額，可以準確地識別出各種典型的腦電信號。將采集到的腦電信號按頻率劃分成δ、θ、α和β四個通道，進一步以各通道的能量作為特征進行分類，采用線性支持向量機將輸入的特征識別成注意力水平，并通過一個簡單的二進制式LED燈實時顯示被試者當前的注意力水平。為證明多功能水凝膠傳感界面在采集高質量腦電信號應用中的有利性，該研究設置了具有挑戰(zhàn)性的注意力水平7分類任務，以輸出的準確度來反映輸入的腦電信號的質量，結果表明基于多功能水凝膠傳感界面的電極在7分類任務中具有較高的準確度（91.5%），遠勝于商用凝膠電極（66.5%），具有很好的實際應用潛力（圖6）。

圖6 持續(xù)性注意力水平預測

綜上所述，研究人員報道了一種基于多功能水凝膠傳感界面實現(xiàn)高質量腦電信號無創(chuàng)采集的策略，通過多功能納米顆粒增強效應和均質網(wǎng)絡效應的協(xié)同作用，突破了現(xiàn)有的制備方法在水凝膠綜合性能構建方面的局限性，開發(fā)了兼具導電性、粘附性、柔性、彈性、生物兼容性和透明性的多功能水凝膠。基于該多功能水凝膠的電極可用于高質量前額腦電信號的無創(chuàng)采集，并具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、可無線傳輸信號等優(yōu)點。進一步通過算法將采集到的高質量腦電信號轉化為注意力水平，實現(xiàn)了注意力水平多等級、高精度的實時預測。該研究開拓了水凝膠在腦科學、神經系統(tǒng)疾病治療和監(jiān)測、柔性電子等領域的應用。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202209606

審核編輯 ：李倩