白硕、闫学海等开发脑电信号高质量采集新型水凝胶电极

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在人体表面采集高质量脑电信号是一项极具挑战性的任务。过程工程所白硕研究员团队联合清华大学张沕琳副教授团队，开发出一种兼具导电性、粘附性、抗干扰性的多功能水凝胶电极，可实现高质量无线采集前额脑电信号。近日，相关工作发表于Adv. Mater. （DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202209606）。
　　高质量的脑电信号可用于脑部相关疾病诊疗以及注意力水平评估，在航空航天、外科手术等领域具有重大应用价值。现有的脑电采集装置较为笨重而复杂，极易影响受试者的脑活动，而且噪声功率高、抗干扰能力差，难以采集到高质量的脑电信号。同时，人体组织和传感电极间存在的电学、力学特性的本质差异也是信号失真的主要原因。而且，目前在采集装置中使用的水凝胶由于性能不佳，无法抵抗汗水、运动伪影等干扰因素，难以满足高效采集的需求。
　　研究团队利用多功能纳米颗粒增强效应和均质网络效应，开发出兼具导电性、粘附性、柔性、弹性以及生物兼容性的多功能水凝胶，弥合人体组织与电极间的差异，为脑电信号采集提供高效稳定的传导渠道。研究人员利用自由基氧化降解策略制备了仿贻贝聚多巴胺纳米颗粒，自由基破坏了聚多巴胺聚集体中的π堆积作用，促进了吲哚单元向吡咯酸单元的转化，为凝胶体系提供了更强的离子导电和组织粘附性能。此外，通过交联密度的调控，同时实现了低拉伸弹性和高弹性。实验表明，基于该水凝胶制备的传感电极在接触阻抗和噪声功率两个关键指标方面均性能优异，同时具有长期使用稳定性，以及对汗水、运动伪影等常见干扰因素的良好抵抗能力。通过特殊算法可进一步将采集到的高质量脑电信号转化为注意力水平，并进行7个分类的预测。为探究预测准确率，研究人员对24位志愿受试者进行了脑电数据的五重交叉实验，在实验室阶段性能良好，平均预测准确率为91.5%。

图 多功能水凝胶传感界面用于脑电信号高效采集和注意力水平评估

　　过程工程所博士生韩青权、清华大学博士生张超为共同第一作者，过程工程所白硕研究员、闫学海研究员、王安河副研究员，以及清华大学张沕琳副教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目（2020YFA0112603）、中科院战略先导科技专项（XDA16020808）、北京市自然基金面上项目（7212206）和国家自然基金（92164202）的支持。
　　论文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202209606
       文章来源：过程所
       白硕，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师，生化工程国家重点实验室“凝胶生物材料”课题组组长，中组部第十一批“##计划”青年人才入选者。2010年11月于德国马普学会胶体与界面研究所（Max Planck Institute of Colloids and Interfaces）获得博士学位，2011年4月-2012年3月在瑞士阿道夫•梅克尔研究所（Adolphe Merkle Institute）从事博士后研究工作，2012年4月-2015年3月在英国斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）从事研究助理工作。2015年6月回国加入中科院过程工程研究所。
        闫学海，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师，生化工程国家重点实验室副主任。2008年7月于中国科学院化学研究所获得博士学位，2008年10月-2013年1月在德国马普胶体与界面研究所先后从事博士后和洪堡学者研究工作。主要研究领域：肽调控自组装化学与材料；仿生光合成；超分子光热/光动力治疗。现已在Chem.Soc. Rev.、Angew.Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、ACSNano等国际学术期刊发表SCI论文100余篇，SCI他引5000余次。现任中国化学会生物物理化学专业委员会和青年工作者委员会委员、Colloids and Surfaces A副主编等学术兼职。