大脑作为人体内信息处理和指令传递的中枢，可产生具有特征性和可识别的脑电图（Electroencephalogram，EEG）信号。提取特定的EEG信号有助于理解大脑活动的机制、人类认知过程和脑部疾病的诊断。这也是一种革命性的方法，可以将思想转化为交互命令。用于主动EEG交互的无缝、皮肤兼容、运动稳定的人机界面（Human–machine interface，HMI）一直是人们关注的焦点。然而，目前广泛使用的脑电图采集方法不能消除头皮结构的干扰和对脑电图帽的依赖。因此，接口处的阻抗和使用的不便利，限制了EEG信号的准确性和日常采集。为了降低脑电采集的界面阻抗和阈值，推广其应用，更新脑电采集方法显得尤为迫切。
作为头皮和外部设备之间的直接连接，人机界面（HMI）决定了EEG采集方法的结果和便利性。为了确保HMI在EEG采集中的可靠应用和功能，在目标组织和外部设备之间建立无缝和稳定的接触是关键。随着微制造和生物电子学方面的最新突破，尽管最近报道的HMI已经随之产生了进一步的发展，然而，在这些报道中，仍然需要解决由侵入性HMI引发的炎症、由于缺乏粘附力而无法维持动态共适性以及由于模量过高而无法维持与生物组织的顺应性等问题。此外，当前的HMI还面临以下缺点：（1）有限的一致性，（2）传输介质差异，以及（3）动态失配。这些固有的缺点意味着HMI的普遍应用存在巨大的障碍。由于离子导电性、生物组织匹配性和生物相容性，离子导电凝胶（即离子导电水凝胶和有机水凝胶）已广泛应用于人工组织、细胞培养、生物电子学和人机界面等领域。作为HMI的离子传导凝胶通过离子传输生物电信号，从而确保与生物体的界面处的耦合，进一步提高生物电信号采集的质量。然而，使用离子传导凝胶作为下一代HMI仍有问题需要解决：（1）现有和新兴的基于离子传导水凝胶和有机水凝胶的HMI大多不能快速固化，因此难以获得能够自我适应头皮结构并避免表皮毛发干扰的HMI。（2）为了适应头皮结构并避免头发的干扰，可流动商用凝胶与表皮和头发有一定程度的顺应性，但缺乏粘附性和稳定性。因此，它与EEG帽的结合使用是不可避免的，并且难以消除传统离子传导凝胶的形态限制。鉴于此，东华大学侯成义副研究员团队开发了一种一种基于MXene交联生物离子传导聚（丙烯酸钠）水凝胶（PAAS MXene），可以通过MXene交联激活快速凝胶化（5 s），固化成适应头皮的形状，以帮助改善信号转导。除了具有良好的皮肤顺应性、适当的粘附性和良好的生物相容性外，PAAS MXene还具有电性能稳定性，例如在生理相关频率下的低阻抗（<50Ω）、稳定的极化电位（变化率小于6.5×10-4 V/min）、可忽略的离子电导率，从而可实现EEG信号的稳定采集。此外，作者提出了一种基于PAAS MXene的无帽脑电信号采集方法，并证实了PAAS MXene对心电图信号和脑电图信号的高精度检测能力。该工作提供了一种通过主动EEG信号主动控制意图、运动和视觉的选项，不仅为无帽EEG采集中的无缝接口难题提供了解决方案，还为日常生活中可穿戴EEG设备的未来发展提供了特殊见解，以便进一步实现人与人之间的交互。该研究以题为“MXene-Enabled Self-Adaptive Hydrogel Interface for Active Electroencephalogram Interactions”的论文发表在最新一期的《ACS Nano》上。PAAS MXene HMI的机理如图1所示。在过硫酸铵（APS）引发的凝胶化过程中，丙烯酸钠的C=C键被打开进行聚合，然后MXene作为交联剂快速形成聚合物链。除了作为交联剂外，MXene还与壳聚糖（CS）上的羟基、氨基和醚键形成大量氢键。此外，CS中的强分子内氢键和疏水部分对CS的聚集产生作用。氯化钠和聚丙烯酸钠的引入产生的钠离子不仅赋予PAAS MXene离子导电能力，而且还与MXene产生静电力，并与用于溶解CS的乙酸形成离子配位。皮肤和PAAS MXene之间的接口可以等效于具有并联电容器和电阻器的电路。图1. PAAS MXene HMI的机理和设计原理。作者通过实验证实（图2），PAAS MXene水凝胶在低模量下具有高弹性，因此具有皮肤柔顺性，避免了与柔软和弹性皮肤的机械失配。同时，PAAS MXene具有可靠的生物相容性和对多个基材的充分粘附性，可确保与基材的适配与无缝配合。上述特性为PAAS MXene作为HMI奠定了坚实的基础。极化是指电极由于电流的通过而发生的电位变化。电极的极化电位与生物电信号一起被外部设备记录，会干扰记录质量。因此，在EEG采集期间，HMI的极化电位应稳定且低。作者通过实验证明了PAAS MXene极化电位优越的原因。首先，极化电位通过在外加电场下定向排列电荷群而形成，从而产生感应电荷以建立极化。然而，由于静电相互作用的存在，带负电荷的MXene限制了在外部电场下带正电荷的CS和钠离子的定向排列，避免了极化的建立。这降低了极化电位的绝对值。此外，非均匀介质在电场作用下产生电偶极矩，从而导致空间电荷极化。如图2b和图3a所示，CS的加入确保了MXene的均匀分散，并避免了空间电荷极化的产生。MXene使PAAS MXene能够实现极化电位性能的改善。与商用干电极和湿电极相比，PAAS MXene的极化电位的绝对值更小，稳定性更高。如图3b（i）所示，MXene的加入使PAAS MXene的平台更平坦、更稳定，图3b（ii）所示，与PAAS相比，PAAS MXene的极化电位的变化可以忽略不计。作者通过实时提取特征活动EEG信号作为命令，输出命令来控制机器以优化现有的人机交互（图4a），例如与意图、运动和视觉的交互（图4b）。如图4c、d所示，通过提取头皮上“C3”和“C4”位置的EEG信号，并比较10和20 Hz附近的功率谱密度，可以识别志愿者的意图，并成功输出相应的命令。图4. PAAS MXene在主动脑电相互作用中的原理图和应用方法。最后，作者展示了如何通过基于PAAS MXene的交互系统与意图、运动和视觉交互。图5a展示了交互式系统的实现，其中包括将EEG信号识别为命令（i）和用于提高识别精度的数据训练算法优化（ii）。此外，与现有的医疗方法相比，采用PAAS MXene作为HMI可将命令识别的准确性从79.2%优化到87.5%。图5. 基于PAAS MXene的交互和交互系统。该工作提出了一种用于EEG信号采集和主动EEG交互的自适应HMI，它克服了现有HMI的形态学限制。作为快速凝胶化的交联剂，MXene可激活聚合物链中的动态相互作用，并有助于获得静电力和氢键；因此，PAAS MXene具有比共价交联PAAS更好的皮肤顺应性、生物电检测性能和溶剂保留率。加上低而稳定的阻抗，作者证明了PAAS MXene具有良好的粘附性、生物相容性和离子导电性。PAAS MXene HMI不仅为无帽EEG采集中的无缝接口难题提供了解决方案，还为日常生活中可穿戴EEG设备的未来发展提供了特殊见解，以便进一步实现人与人之间的交互。文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08961
来源：高分子科学前沿
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