新型毛发状生物黏附电极实现人体慢性脑电图（EEG）长期稳定记录

为解决慢性脑电图记录难题，研究人员开发毛发状电极，可稳定记录 EEG，助力相关领域发展。

　　在大脑研究的舞台上，脑电图（Electroencephalogram，EEG）是一位重要 “演员”。它能通过监测大脑的电活动，帮助医生诊断癫痫、睡眠障碍等多种神经系统疾病，还能为脑机接口（Brain-Machine Interface，BMI）等前沿技术提供关键支持。然而，EEG 记录面临着诸多挑战。大脑发出的 EEG 信号极其微弱，就像远处传来的细微声音，很容易被 “淹没”。而且，头皮上的头发也来 “捣乱”，在电极和头皮之间形成间隙，产生运动伪影，干扰信号的采集，就如同在原本清晰的画面上蒙上了一层雾。传统的金属电极搭配电解质凝胶虽然常用，但凝胶容易干燥，每次使用时电极的位置也难以保证一致，这些问题都限制了 EEG 记录的准确性和稳定性，让长期可靠的 EEG 记录成为一个亟待攻克的难题。

为了突破这些困境，来自宾夕法尼亚州立大学等机构的研究人员展开了一场科研攻关。他们成功研发出一种 “即贴即用” 的毛发状装置，相关研究成果发表在《npj Biomedical Innovations》上。这项研究成果意义非凡，有望为健康监测和神经科学研究带来新的突破。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 3D 打印技术，通过直接墨水书写（Direct Ink Writing，DIW）的方式，精确地构建出毛发状装置的多层结构，实现了从设计到实物的精准转化。其次，对生物黏附材料进行了合成与优化，利用 UV 辅助聚合方法制备出具有优良黏附性能的材料，并对其进行一系列处理以满足打印和使用需求。在性能测试方面，采用电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）来评估电极与皮肤之间的界面阻抗，通过多种机械测试方法检测装置的拉伸性、黏附力等性能，还借助 MATLAB 软件对 EEG 数据进行分析处理 。

下面来看看具体的研究结果：

1. 3D 打印毛发状装置：研究人员运用 DIW 3D 打印技术制造出毛发状 EEG 记录装置。该装置结构精巧，由四层构成，中间是导电聚合物水凝胶电极层，被两层聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）封装层包裹，电极层还包含接口、互连和输出单元，并且在底部 PDMS 层上印刷有黏附层。它的设计十分贴心，与头皮接触的接口部分为直径 1.5 毫米的圆形，既能保证良好接触，又不会造成过多干扰；互连部分宽 300μm，纤细如发丝，能与自然头发完美融合，几乎隐形，不影响美观，也不妨碍日常活动。此外，通过在打印材料中添加生物相容性染料，该装置还能适配不同发色。
2. 3D 可打印黏附墨水：研究人员采用 UV 辅助聚合方法合成生物黏附剂。这种黏附剂具有出色的黏附性能，平均黏附力达到 0.7 N/cm，几乎是商业 EEG 凝胶的两倍。它的分子结构中含有带电荷的羧酸基团和活性 N - 羟基琥珀酰亚胺酯（N - hydroxysuccinimide，NHS）基团，能与皮肤组织表面的分子形成氢键和共价酰胺键，即便在接触水或头皮出汗的情况下，也能保持强黏附力。而且，它具有良好的机械性能，可拉伸至原长的 8 倍，杨氏模量为 42 kPa，与肌肉和皮肤的天然组织相当，能与皮肤曲面紧密贴合，移除时也不会损伤皮肤。
3. 毛发状装置的电气和机械性能：得益于生物黏附剂的强黏附性和水凝胶电极的柔韧性，毛发状装置与皮肤之间形成了稳定的界面，其电极 - 皮肤电阻抗比商业金电极更低。在手腕处，100 Hz 时阻抗为 26.02 kΩ，10 Hz 时为 43.89 kΩ；在头皮上，100 Hz 时阻抗为 14.83 kΩ，10 Hz 时为 16.72 kΩ。该装置还具备高电荷存储能力。经过 24 小时的佩戴测试，其在头皮上的黏附牢固，阻抗稳定。在循环拉伸测试中，最大应变为 10%，经过 10、50 和 100 次循环加载后，电气性能依然稳定，且最终应变可达 200%，展现出良好的拉伸性和循环稳定性。
4. 毛发状装置的高保真长期 EEG 记录：研究人员通过在有浓密头发的受试者枕部区域进行 EEG 记录实验，验证了毛发状装置的有效性。在闭眼和睁眼两种状态下，该装置都能清晰捕捉到 EEG 信号的变化。闭眼时，功率谱密度分析（Power Spectral Density Analysis，PSDA）显示出明显的 α 节律，中心峰值约在 10 Hz；睁眼时，α 节律消失。与商业金电极相比，毛发状装置捕捉到的 EEG 信号质量相当，甚至在某些方面更优，并且能在连续佩戴 24 小时内保持高保真记录，不同时间点记录的 EEG α 波质量稳定。

研究人员成功设计并制造出高性能的柔性装置，可实现从多毛头皮进行长期高保真的 EEG 记录。该装置能与皮肤形成稳定连接，提供持久稳定的界面阻抗，其轻薄、灵活的结构让佩戴更舒适，无需皮肤预处理的粘贴方式也更加便捷。它不仅能有效消除运动伪影，稳定记录 EEG 信号，还在消费健康产品、脑机接口等领域展现出巨大的应用潜力，有望为心理健康监测、压力水平评估、认知功能研究等提供有力支持，推动相关领域的进一步发展。