腦機(jī)接口（BCI）具有直接從大腦建立人機(jī)交互的潛力。通過分析高時(shí)空分辨率的電生理指標(biāo)，腦機(jī)接口可以詳細(xì)記錄腦活動(dòng)，并將腦電圖（EEG）轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令。腦機(jī)接口有許多潛在的應(yīng)用，例如腦部疾病診斷、康復(fù)、殘疾人協(xié)助、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、健康監(jiān)測和外骨骼研究等。根據(jù)植入方法和電極傳感器相對于頭皮的放置位置，腦機(jī)接口可分為無創(chuàng)、半創(chuàng)和有創(chuàng)腦機(jī)接口。其中，無創(chuàng)腦機(jī)接口可以在沒有任何程序性感染和組織損傷風(fēng)險(xiǎn)的情況下提取腦電圖，因此在日常場景中具有很大的應(yīng)用潛力。

用于無創(chuàng)腦機(jī)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(dǎo)電材料組成，包括金屬、導(dǎo)電織物和導(dǎo)電聚合物等，只需與皮膚接觸即可記錄生理電信號(hào)。然而，干電極增加了皮膚接觸阻抗，降低了阻抗穩(wěn)定性，因此，它們對運(yùn)動(dòng)偽影表現(xiàn)出更高的敏感性。干電極的其它缺點(diǎn)包括信號(hào)噪聲增加和信號(hào)失真，這是由于接觸不足、環(huán)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(huì)對磁頭表面造成損傷。濕電極主要由導(dǎo)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(dǎo)電漿料作為傳導(dǎo)介質(zhì)，可以在電極之間形成離子通道，保證在整個(gè)腦電圖記錄過程中信號(hào)基線保持平滑。然而，使用導(dǎo)電漿料的濕電極的設(shè)置過程通常復(fù)雜且耗時(shí)，并且對用戶來說會(huì)產(chǎn)生不舒服甚至痛苦的感受。此外，對于高密度的電極排列，導(dǎo)電漿料可能會(huì)意外流動(dòng)，導(dǎo)致相鄰電極之間的短路。同時(shí)，由于導(dǎo)電漿料的快速風(fēng)干，濕電極記錄腦電圖的時(shí)間只能持續(xù)數(shù)小時(shí)。

為了解決無創(chuàng)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(zhì)在電極-皮膚界面建立離子通道，從而實(shí)現(xiàn)與濕電極相當(dāng)?shù)目煽磕X電圖信號(hào)收集，以及類似干電極的更方便的設(shè)置。與干濕電極相比，無創(chuàng)半干電極具有更低的接觸阻抗、更方便的設(shè)置和更好的佩戴舒適性，為下一代腦機(jī)接口產(chǎn)品提供了基礎(chǔ)。然而，半干水凝膠電極仍然存在一些限制其應(yīng)用的缺點(diǎn)，包括容易失水而提高阻抗的風(fēng)險(xiǎn)，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(chuàng)腦機(jī)接口長期獲取高質(zhì)量腦電圖仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，大連理工大學(xué)生物工程學(xué)院林佳奇教授課題組的研究人員開發(fā)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(dāng)?shù)姆直媛视涗浤X電圖信號(hào)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)長達(dá)12小時(shí)的連續(xù)腦電圖采集。相關(guān)研究成果近期以“Hydrogel electrodes with conductive and substrate-adhesive layers for noninvasive long-term EEG acquisition”為題，發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

該電極由雙水凝膠層構(gòu)成，其中導(dǎo)電層具有高導(dǎo)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(tài)下的運(yùn)動(dòng)偽影。通過人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，研究人員制備了幾個(gè)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(fā)的頭皮的接觸。在所有這些不同的設(shè)計(jì)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(dǎo)電水凝膠的下半部分被粘接水凝膠包圍，形成環(huán)狀，從而牢固地附著在塑料基底的內(nèi)表面上。導(dǎo)電水凝膠的底部與銀/氯化銀接觸，銀/氯化銀進(jìn)一步附著在一個(gè)4毫米的卡扣上。通過這種組裝方式，導(dǎo)電水凝膠可以使用標(biāo)準(zhǔn)的腦電圖頭部裝置以一種易于使用的方式穩(wěn)定地獲取腦電圖信號(hào)。

圖1 雙層水凝膠電極的設(shè)計(jì)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(guān)重要。因此，研究人員對導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行了細(xì)胞活力和皮膚刺激試驗(yàn)。圖2a顯示了導(dǎo)電水凝膠浸泡不同時(shí)間段之后的細(xì)胞活力。在所有持續(xù)不同浸泡時(shí)間的測試中，與對照組相比，細(xì)胞存活率都超過100%，這表明導(dǎo)電水凝膠沒有細(xì)胞毒性。接下來，研究人員對導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行了皮膚刺激實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步探索其生物相容性。研究人員用一只日本白兔作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(jié)果顯示，涂抹導(dǎo)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(jìn)行了進(jìn)一步檢查。結(jié)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(yīng)（圖2（d）右）。因此，以上這些結(jié)果證實(shí)了導(dǎo)電水凝膠材料具有高度的生物相容性。

圖2 導(dǎo)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(guān)電位（ERP）測試對所開發(fā)的水凝膠電極進(jìn)行了評估。結(jié)果顯示，水凝膠電極捕獲了N170和P300測試中預(yù)期的事件相關(guān)電位波形，并且波形與濕電極產(chǎn)生的波形具有相似性。相比之下，干電極由于信號(hào)質(zhì)量低而無法檢測到觸發(fā)電位。此外，該水凝膠電極可以獲得長達(dá)12小時(shí)的腦電圖信號(hào)，并且可以回溯過去7天的測試結(jié)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(jìn)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(jìn)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(guān)電位，有望在無創(chuàng)腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)場景中開辟許多應(yīng)用。然而，導(dǎo)電水凝膠材料的保水能力還有進(jìn)一步提高的潛力，因?yàn)殡姌O-皮膚界面的水化作用對降低阻抗至關(guān)重要。此外，水凝膠材料抑制細(xì)菌生長的能力也沒有在該研究中進(jìn)行。由于水凝膠電極可在人類頭皮上循環(huán)使用，因此未來的工作應(yīng)解決細(xì)菌抑制能力問題。

審核編輯：劉清