多功能水凝胶传感界面，实现脑电信号高质量无创采集
无创地从人体表面采集高质量的脑电信号一直是一项极具挑战性的任务。高质量的脑电信号不仅能用于脑部相关疾病的诊疗，也能用于评估持续性注意力水平，在航空航天、外科手术、军事行动等高难度任务领域具有重大应用价值。然而，现有的脑电采集系统通常笨重而复杂，不但会影响受试者的脑活动，而且噪声功率高、抗干扰能力差。因此，开发一种便携、稳定的传感电极用于获取高质量的脑电信号仍是一项亟待解决的科学难题。
近期，中国科学院过程工程研究所白硕研究员、闫学海研究员和王安河副研究员联合清华大学张沕琳副教授提出了采用多功能水凝胶传感界面的策略来解决无创采集高质量脑电信号的问题。通过多功能纳米颗粒增强效应和均质网络效应同时构建导电性、粘附性、柔性、弹性、生物兼容性和透明性俱佳的水凝胶体系，用于建立人体组织和电极之间高效稳定的传感界面，从而实现直接从人体表面采集到高质量的脑电信号。基于该水凝胶的多通道电极轻巧便携，具有在线信号分析、无线信号传输的能力，且稳定性优异（图1）。进一步通过算法将采集到的脑电信号转化为注意力水平并可从低到高细分为7个等级，各等级平均预测准确度可达91.5%。该研究以题为“hydrogel nanoarchitectonics of a flexible and self-adhesive electrode for long-term wireless electroencephalogram recording and high-accuracy sustained attention evaluation”的论文发表在最新一期《advanced materials》上，文章第一作者为中科院过程所博士生韩青权和清华大学博士生张超。
多功能水凝胶传感界面的构建及注意力水平的评估
图1 pva-pvp-pda nps多功能水凝胶的设计、制备及应用
多功能聚多巴胺纳米颗粒的制备及表征
受贻贝启发的聚多巴胺（pda）是常见的用于增强水凝胶粘附性和导电性的材料，但不稳定性以及对可见光的吸收特性限制了其应用。该研究采用自由基氧化降解法处理pda，得到纳米尺寸的球形聚多巴胺纳米颗粒（pda nps）。相较于pda，氧化降解得到的pda nps在水溶液中更稳定、分散更均匀，且几乎无色透明。结合紫外-可见光吸收光谱、红外光谱、xps、质谱、荧光发射光谱和boehm滴定分析，研究人员认为pda是由纳米聚集体通过非共价作用力（如π堆积）形成。氧化降解过程中，自由基破坏了这类非共价作用力，从而产生了纳米尺寸的pda nps。与此同时，pda中含有的典型结构5,6-二羟基吲哚（dhi）及其衍生物经氧化裂解途径部分（~10%）转化成了吡咯酸单元。吡咯酸单元缺乏大共轭体系，对可见光波无明显吸收，尺寸效应和吸收效应共同导致pda nps变得无色透明（图2）。
图2 pda氧化降解形成pda nps
多功能聚多巴胺纳米颗粒的粘附增强效应及水凝胶力学性能调控
pda nps中既含有儿茶酚基团（dhi单元），也含有羧酸基团（吡咯酸单元）。羧基具有吸收界面水合层以及与组织表面的羧基/氨基形成氢键的特性，因此含有pda nps的水凝胶表现出对人体组织更高的（湿）粘附强度。另一方面，该研究选用聚乙烯醇（pva）和聚乙烯吡咯烷酮（pvp）交联形成均质网络水凝胶，柔性的高分子链以及均匀交联的网络赋予了水凝胶低模量、高弹性的性质。pda nps中的羧基能和pva中的羟基形成酯键，一方面保障了其在整个凝胶网络中均匀稳定地分布，另一方面可用于调节pva和pvp之间的交联密度，从而调控水凝胶的力学性能（图3）。
图3 水凝胶的粘附性能和力学性能
多功能聚多巴胺纳米颗粒的导电增强效应
pda nps均匀地分布在整个凝胶网络中，其中的羧基电离后的羧酸根负离子作为固定离子，水凝胶制备过程中引入的氢离子、钠离子等阳离子作为反离子，亦均匀分布于整个凝胶网络中，为水凝胶提供了优异且稳定的导电性能（图4）。
图4 水凝胶的电学性能
水凝胶电极的制备及性能
多功能水凝胶的制备条件温和简单，采用模具转印法制备得到的多通道水凝胶电极表现出良好的通道一致性，能与皮肤组织形成共形的、稳定的传感界面。接触阻抗低（3~4 kω），噪声功率小（2.85 μv²），仅为商用凝胶电极的1/702。其对前额脑电信号的采集能力与标准脑电帽相当，并且具有较长期的稳定性能，连续使用7天后无明显性能衰减，在出汗以及运动条件下也具有相当好的稳定性，可在日常生活中使用（图5）。
图5 水凝胶电极的性能
基于前额脑电信号的注意力水平预测
将多通道水凝胶电极贴附在前额，可以准确地识别出各种典型的脑电信号。将采集到的脑电信号按频率划分成δ、θ、α和β四个通道，进一步以各通道的能量作为特征进行分类，采用线性支持向量机将输入的特征识别成注意力水平，并通过一个简单的二进制式led灯实时显示被试者当前的注意力水平。为证明多功能水凝胶传感界面在采集高质量脑电信号应用中的有利性，该研究设置了具有挑战性的注意力水平7分类任务，以输出的准确度来反映输入的脑电信号的质量，结果表明基于多功能水凝胶传感界面的电极在7分类任务中具有较高的准确度（91.5%），远胜于商用凝胶电极（66.5%），具有很好的实际应用潜力（图6）。
图6 持续性注意力水平预测
综上所述，研究人员报道了一种基于多功能水凝胶传感界面实现高质量脑电信号无创采集的策略，通过多功能纳米颗粒增强效应和均质网络效应的协同作用，突破了现有的制备方法在水凝胶综合性能构建方面的局限性，开发了兼具导电性、粘附性、柔性、弹性、生物兼容性和透明性的多功能水凝胶。基于该多功能水凝胶的电极可用于高质量前额脑电信号的无创采集，并具有稳定性好、抗干扰能力强、可无线传输信号等优点。进一步通过算法将采集到的高质量脑电信号转化为注意力水平，实现了注意力水平多等级、高精度的实时预测。该研究开拓了水凝胶在脑科学、神经系统疾病治疗和监测、柔性电子等领域的应用。
论文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202209606
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多功能聚多巴胺纳米颗粒的制备及表征
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图2 pda氧化降解形成pda nps
多功能聚多巴胺纳米颗粒的粘附增强效应及水凝胶力学性能调控
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图3 水凝胶的粘附性能和力学性能
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图4 水凝胶的电学性能
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