可注射低共熔凝胶实现高质量头皮脑电图长期监测

《npj Flexible Electronics》：Injectable eutectogel for high-quality scalp electroencephalogram monitoring

本研究针对传统水凝胶电极在头皮脑电图（EEG）监测中存在的贴合性差、阻抗高和界面稳定性不足等问题，开发了一种基于明胶的可注射低共熔凝胶（eutectogel）。该凝胶具有温度控制的固液相变特性，可在头皮原位凝胶化，形成自粘附界面，展现出优异的机械耐久性（1000次拉伸循环）、强粘附力（皮肤0.7 N cm-1，电极1.7 N cm-1）和抗干燥性（7天无水分流失）。研究证实，该电极能实现24小时长期稳定监测，高质量捕获视觉诱发电位（VEP）、稳态视觉诱发电位（SSVEP）、事件相关电位P300等多模式脑电信号，为临床和科研提供可靠解决方案。

　　

在神经科学和脑机接口领域，非侵入性头皮脑电图（EEG）凭借其高时间分辨率、便携性和实时监测能力，已成为评估大脑活动的关键技术。它不仅广泛应用于癫痫、睡眠障碍等神经系统疾病的临床诊断，还逐步渗透到康复医学、运动科学、泛在健康监测乃至早期大脑发育研究中。然而，传统的EEG硬件，尤其是电极设计，在舒适度和长期信号稳定性方面仍面临严峻挑战。目前临床常用的Ag/AgCl杯状电极配合电解质膏或导电膏，虽导电性良好，但存在内聚力弱、易脱水、需借助胶带或头帽固定等问题。其流动性和易干燥特性会导致阻抗漂移，严重影响长期记录的信号质量。而固态电极替代品，如导电弹性体、预成型水凝胶和有机凝胶，虽机械完整性有所改善，但各自存在局限性：预成型水凝胶难以动态贴合有毛发覆盖的、微观纹理丰富的头皮，导致粘附力弱和运动伪影；部分需紫外线固化的原位聚合水凝胶则操作复杂，限制了其实际应用。水凝胶本身还存在易脱水、温度敏感性高和机械疲劳等缺点，导致信号质量随时间下降。因此，开发一种能够紧密贴合有发头皮、具有低且稳定阻抗、易于使用并能支持长期高质量EEG监测的电极材料，成为该领域迫切的需求。

针对上述挑战，发表在《npj Flexible Electronics》上的研究论文“Injectable eutectogel for high-quality scalp electroencephalogram monitoring”提出了一种创新的解决方案：一种基于明胶的可注射低共熔凝胶（eutectogel）电极。该研究由Yan Wang团队完成，他们设计了一种具有温度控制可逆相变特性的材料，能够以液态形式注射到头皮，在体温下迅速凝胶化，形成牢固的自粘附界面，从而实现了高质量、长期、多通道的头皮EEG监测。

为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：材料制备与表征（包括低共熔溶剂合成、eutectogel配方优化）、流变学分析（测定相变温度和凝胶化时间）、力学与粘附性能测试（拉伸、循环拉伸、90°剥离试验）、体外生物学评价（细胞毒性、抗菌性）以及人体EEG信号记录（基于10-20系统，对比商业EEG膏，监测多种自发和诱发电位信号超过24小时）。

研究结果

可注射低共熔凝胶用于高质量、长期脑活动监测

研究人员设计了一种以明胶为结构基质的低共熔凝胶。明胶是一种FDA批准的天然聚合物，具有良好的生物相容性、生物可降解性和可调节的热机械性能。低共熔溶剂（DES）由甘油和氯化胆碱（ChCl）以2:1摩尔比混合而成，它同时作为良性溶剂、增塑剂，并通过其氢键网络赋予凝胶显著的锁水效应。通过添加超分子主体α-环糊精（α-CD）和氯化锂（LiCl）进一步调节流变性、凝胶动力学和界面粘附力，得到了优化的EGCDLi配方。该eutectogel在注射温度（约50°C）下为低粘度溶胶，可流经毛发；当温度降至生理水平时，非共价相互作用重组，溶胶迅速转变为弹性凝胶，在皮肤上约132秒内固化，形成与头皮无缝贴合、牢固的界面。

可注射低共熔凝胶的表征

流变学测量证实了材料的温度响应行为。EGCDLi eutectogel的溶胶-凝胶转变温度为36.9°C，略高于典型头皮温度（约34°C），熔融温度为43.9°C，确保了使用安全性和结构完整性。其凝胶化时间（tanδ=1时）在35°C下为132秒，平衡了应用效率和界面贴合性。在环境条件下存放168小时后，eutectogel（EG, EGCD, EGCDLi）的归一化重量均超过1，显示出卓越的抗干燥性，而普通明胶水凝胶（GH）则失水。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示了明胶与DES组分间的氢键相互作用。扫描电子显微镜（SEM）显示冻干EGCDLi具有多孔结构，利于离子扩散。EGCDLi的本征阻抗为29.1 Ω，离子电导率达1.4 S m^-1。力学测试表明，EGCDLi的断裂伸长率约605%，杨氏模量为56.3±3.1 kPa，低于软组织范围（0.1-2 MPa），确保了亲密接触。它在100%应变下能承受1000次加载-卸载循环，显示出机械耐久性。eutectogel还表现出可回收性（5次循环后保留约93.2%拉伸性）和自愈合性（局部加热5分钟可愈合切口，恢复100%拉伸强度和641.2%伸长率）。90°剥离测试显示，EGCDLi对人体表皮的粘附力为0.7 N cm^-1，对柔性Ag/AgCl电极的界面粘附力为1.7 N cm^-1，分别是商业EEG膏的9倍和21倍。抗菌实验表明，EGCDLi对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）均有抑制作用（抑菌圈直径分别为11.9±0.4 mm和13.0±0.5 mm），杀菌率分别达88.1%和92.3%。体外细胞毒性试验显示94.0%的细胞活性，24小时斑贴试验未观察到红斑或水肿，表明良好的生物相容性。

使用可注射EGCDLi低共熔凝胶电极在有发头皮上进行高质量和长期脑电图记录

在有发头皮（如O2位点）上，注射形成的EGCDLi电极在10 Hz下的头皮接触阻抗为9.5 kΩ，显著低于商业EEG膏的15.1 kΩ，并能维持在临床阈值（20 kΩ）以下至少24小时。记录的枕叶alpha节律在波形、振幅和功率谱密度（PSD）上与商业EEG膏初始结果一致，且在400秒记录和5小时后，eutectogel的alpha波段PSD仅轻微下降，而商业膏则显著下降。该电极成功捕获了多种诱发电位：稳态视觉诱发电位（SSVEP）在刺激基频处出现；棋盘格翻转刺激诱发的视觉诱发电位（VEP）成分（N75, P100, N145）清晰可辨；体感诱发电位（SEP）潜伏期约20 ms且24小时无漂移；慢顶点反应（SVR）峰值（L1: 102 ms, L2: 151 ms）和听觉脑干反应（ABR）波形（I-V波）在连续佩戴24小时后均保持稳定。

在不同认知活动中使用可注射低共熔凝胶电极进行多通道脑电图监测

多通道EEG测量显示，EGCDLi电极在16 Hz下的最大头皮接触阻抗为19.3±0.1 kΩ，低于已报道的印刷电子纹身电极，24小时后略微升至19.6±0.5 kΩ。志愿者在闭眼静息、深呼吸、阅读、看电影和自然行走等不同认知活动下被监测，EEG信号均显示出清晰的任务特异性模式。脑地形图和PSD分析进一步区分了这些活动：闭眼静息时枕叶alpha活动（8-13 Hz）主导；深呼吸使额叶和中央区功率向theta波段（4-8 Hz）转移；阅读增加左枕叶的alpha和beta功率；看电影产生较强的alpha活动；自然行走时伴有广泛的alpha爆发和Cz点beta活动抑制。额叶通道的beta/(theta+alpha)功率比从静息时的0.1增加到行走时的0.9，反映了认知负荷和运动调控的变化。听觉事件相关电位（ERP）P300信号也被高质量捕获，目标与非目标刺激差异明显，P300在Fz点约300 ms处出现峰值，其波形和幅度在24小时后几乎不变，脑地形图显示目标刺激下最强活动位于中前额区，且空间模式持续一天。

结论与讨论

本研究开发的可注射明胶基低共熔凝胶成功解决了有发头皮进行高质量、长期EEG监测的关键难题。作为温暖的、低粘度溶胶，它能流经毛发；在皮肤温度下快速凝胶化，形成紧密、无串扰的接触界面，无需额外固定装置即可稳固Ag/AgCl电极。可逆的物理交联赋予其可调的凝胶化特性、类肤柔软性和高韧性，而甘油-氯化胆碱低共熔溶剂有效防止干燥，保证至少24小时的稳定操作。添加LiCl和α-CD提升了导电性和粘附力，使头皮-电极阻抗全天低于20 kΩ。该凝胶可通过短暂加热实现自愈合，并可多次回收。单次应用即可稳定捕获alpha节律、VEP、SSVEP、SEP、SVR、ABR、多通道认知EEG以及ERP P300信号，其性能在运动状态下仍匹配或优于商业EEG膏。这些特性使该eutectogel成为一种实用、长效的接口，适用于临床EEG和移动脑机系统，并因其热可逆网络特性，在未来集成有源传感或治疗元件方面具有潜力。