多功能水凝膠傳感界面，實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)高質(zhì)量無(wú)創(chuàng)采集

無(wú)創(chuàng)地從人體表面采集高質(zhì)量的腦電信號(hào)一直是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。高質(zhì)量的腦電信號(hào)不僅能用于腦部相關(guān)疾病的診療，也能用于評(píng)估持續(xù)性注意力水平，在航空航天、外科手術(shù)、軍事行動(dòng)等高難度任務(wù)領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)有的腦電采集系統(tǒng)通常笨重而復(fù)雜，不但會(huì)影響受試者的腦活動(dòng)，而且噪聲功率高、抗干擾能力差。因此，開(kāi)發(fā)一種便攜、穩(wěn)定的傳感電極用于獲取高質(zhì)量的腦電信號(hào)仍是一項(xiàng)亟待解決的科學(xué)難題。

近期，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所白碩研究員、閆學(xué)海研究員和王安河副研究員聯(lián)合清華大學(xué)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(lái)解決無(wú)創(chuàng)采集高質(zhì)量腦電信號(hào)的問(wèn)題。通過(guò)多功能納米顆粒增強(qiáng)效應(yīng)和均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)同時(shí)構(gòu)建導(dǎo)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(shí)現(xiàn)直接從人體表面采集到高質(zhì)量的腦電信號(hào)。基于該水凝膠的多通道電極輕巧便攜，具有在線信號(hào)分析、無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)哪芰Γ曳€(wěn)定性優(yōu)異（圖1）。進(jìn)一步通過(guò)算法將采集到的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為注意力水平并可從低到高細(xì)分為7個(gè)等級(jí)，各等級(jí)平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度可達(dá)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(guò)程所博士生韓青權(quán)和清華大學(xué)博士生張超。

多功能水凝膠傳感界面的構(gòu)建及注意力水平的評(píng)估

圖1 PVA-PVP-PDA NPs多功能水凝膠的設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)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(jiàn)的用于增強(qiáng)水凝膠粘附性和導(dǎo)電性的材料，但不穩(wěn)定性以及對(duì)可見(jiàn)光的吸收特性限制了其應(yīng)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(wú)色透明。結(jié)合紫外-可見(jiàn)光吸收光譜、紅外光譜、XPS、質(zhì)譜、熒光發(fā)射光譜和Boehm滴定分析，研究人員認(rèn)為PDA是由納米聚集體通過(guò)非共價(jià)作用力（如π堆積）形成。氧化降解過(guò)程中，自由基破壞了這類非共價(jià)作用力，從而產(chǎn)生了納米尺寸的PDA NPs。與此同時(shí)，PDA中含有的典型結(jié)構(gòu)5,6-二羥基吲哚（DHI）及其衍生物經(jīng)氧化裂解途徑部分（~10%）轉(zhuǎn)化成了吡咯酸單元。吡咯酸單元缺乏大共軛體系，對(duì)可見(jiàn)光波無(wú)明顯吸收，尺寸效應(yīng)和吸收效應(yīng)共同導(dǎo)致PDA NPs變得無(wú)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(qiáng)效應(yīng)及水凝膠力學(xué)性能調(diào)控

PDA NPs中既含有兒茶酚基團(tuán)（DHI單元），也含有羧酸基團(tuán)（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(duì)人體組織更高的（濕）粘附強(qiáng)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(zhì)網(wǎng)絡(luò)水凝膠，柔性的高分子鏈以及均勻交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)賦予了水凝膠低模量、高彈性的性質(zhì)。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(gè)凝膠網(wǎng)絡(luò)中均勻穩(wěn)定地分布，另一方面可用于調(diào)節(jié)PVA和PVP之間的交聯(lián)密度，從而調(diào)控水凝膠的力學(xué)性能（圖3）。

圖3 水凝膠的粘附性能和力學(xué)性能

多功能聚多巴胺納米顆粒的導(dǎo)電增強(qiáng)效應(yīng)

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

圖4 水凝膠的電學(xué)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(jiǎn)單，采用模具轉(zhuǎn)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(duì)前額腦電信號(hào)的采集能力與標(biāo)準(zhǔn)腦電帽相當(dāng)，并且具有較長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能，連續(xù)使用7天后無(wú)明顯性能衰減，在出汗以及運(yùn)動(dòng)條件下也具有相當(dāng)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(hào)的注意力水平預(yù)測(cè)

將多通道水凝膠電極貼附在前額，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出各種典型的腦電信號(hào)。將采集到的腦電信號(hào)按頻率劃分成δ、θ、α和β四個(gè)通道，進(jìn)一步以各通道的能量作為特征進(jìn)行分類，采用線性支持向量機(jī)將輸入的特征識(shí)別成注意力水平，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制式LED燈實(shí)時(shí)顯示被試者當(dāng)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(zhì)量腦電信號(hào)應(yīng)用中的有利性，該研究設(shè)置了具有挑戰(zhàn)性的注意力水平7分類任務(wù)，以輸出的準(zhǔn)確度來(lái)反映輸入的腦電信號(hào)的質(zhì)量，結(jié)果表明基于多功能水凝膠傳感界面的電極在7分類任務(wù)中具有較高的準(zhǔn)確度（91.5%），遠(yuǎn)勝于商用凝膠電極（66.5%），具有很好的實(shí)際應(yīng)用潛力（圖6）。

圖6 持續(xù)性注意力水平預(yù)測(cè)

綜上所述，研究人員報(bào)道了一種基于多功能水凝膠傳感界面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量腦電信號(hào)無(wú)創(chuàng)采集的策略，通過(guò)多功能納米顆粒增強(qiáng)效應(yīng)和均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)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(gòu)建方面的局限性，開(kāi)發(fā)了兼具導(dǎo)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?；谠摱喙δ芩z的電極可用于高質(zhì)量前額腦電信號(hào)的無(wú)創(chuàng)采集，并具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、可無(wú)線傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步通過(guò)算法將采集到的高質(zhì)量腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為注意力水平，實(shí)現(xiàn)了注意力水平多等級(jí)、高精度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。該研究開(kāi)拓了水凝膠在腦科學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療和監(jiān)測(cè)、柔性電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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

審核編輯 ：李倩