西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授 AM综述：脑机接口柔性电极

2023-05-09 来源：高分子科技

脑机接口（BCI）技术近年来受到广泛关注，各国政府和企业对相关研究和应用进行了大量投资。在未来，恢复患者沟通和运动功能，治疗精神类和神经类疾病，游戏以及其他日常和医疗应用都将受益于BCI的发展进步。BCI技术的关键是利用电极进行脑电活动检测和传递。然而，传统的刚性电极由于杨氏模量不匹配、对人体的潜在损害以及信号质量随时间推移而下降而受到限制。这些因素使得柔性电极的开发变得至关重要。近年来，由柔性材料制成的脑电电极作为传统刚性电极的替代品越来越受欢迎，因为它们具有更广的顺应性、更高信噪比（SNR）信号获取潜力和更广泛的应用范畴。因此，这篇综述总结了这一领域最新进展，探讨了制造这些柔性电极的分类和未来发展方向，以进一步促进柔性BCI电极的发展。

在这篇综述中，作者简要介绍世界各地的脑研究相关项目，神经电信号的分类以及使用柔性电极的必要性。然后系统回顾了不同类型柔性电极种类、电极材料、制造方法、柔性基底材料以及对柔性电极的其它额外要求。

Figure 1. Timeline of the development of brain projects around the world.

柔性电极依据其安放位置可以分为颅内电极和颅外电极，颅内电极可以分为侵入式电极和半侵入式电极；颅外电极可以分为干电极，半干电极以及湿电极。柔性电极最近的巨大进展在提供安全、便携、用户友好、高效的BCI应用中发挥着关键作用。但是，柔性电极仍面临许多挑战。首先，简单、廉价、大规模的制造方法对于生产颅内和颅外的商业化或定制电极仍然至关重要。此外，植入式电极仍然有很多问题需要解决，例如长期记录的安全性和有效性。作为一种植入式医疗设备，BCI的安全性优先于其功能。大规模神经记录对植入式电极的安全性提出了许多挑战，例如手术过程中的感染风险、穿刺和设备产生热量造成的潜在损坏。电极的使用寿命受到材料性能的限制，与神经组织最相似的材料可能能够实现无缝的功能连接。这可能有助于长期体内记录。特别是，基底材料与电极材料保形之间的粘合性对于柔性半侵入性电极仍然至关重要。植入式电极还面临着其他许多挑战，例如空间分辨率和灵敏度之间的平衡、无线数据传输等。此外，可靠、便携且易于使用的BCI系统对于日常应用至关重要。便携性、可用性和美观性是非侵入式电极不可或缺的。基于水凝胶的湿电极提供更好的附着力和舒适度，但脱水仍然是一个问题。虽然干电极和半干电极的出现缓解了湿电极的一些缺点，但在导电性和舒适性方面仍然存在一些问题。此外，柔性非侵入式电极大多在非毛发区域工作，其实用性有待进一步提高。

Figure 2. The comparison of electrical stimulation, magnetic stimulation and optogenetics.

在BCI电极制造工艺方面，传统材料和制造工艺限制了具有高性能、高电极密度和其他特色的柔性电极的开发。柔性电极通常由有导电材料和柔性基底材料组成。近年来，柔性电极制造工艺得到了显着改进。大多数电极材料、制造方法和柔性基底材料可同时用于制造颅内和颅外电极。同样值得注意的是，微机电系统技术和微细加工在制造颅内电极方面可能具有巨大的优势，特别是对于ECoG电极，这可能有助于增加电极密度和提高空间分辨率。当涉及柔性电极的其它材料性能要求时，颅内和颅外电极均追求较好的机械性能、粘附性能和生物相容性。

柔性植入式电极具有与生理组织接近的机械强度，例如低杨氏模量、与脑组织相近的柔软性、高拉伸性和低机械应力。具有这些机械强度的电极将对脑组织造成较少的损害，并提供更好的一致性。刚性电极植入后，小胶质细胞可能会积聚并包裹电极，最终导致信噪比和记录能力下降。因此，提高长期记录应用的机械顺应性非常重要。粘附性在制造植入式电极中也起着重要作用。它主要由两部分组成，一部分是金属电极与柔性基底材料之间的粘合;另一个是制造的电极和大脑之间的粘附性。这两种机械结合对于维持长期记录都很重要，并且有许多方法可以改善它，例如基材的改性或添加粘合剂层。化学基团，例如羟基、羧基和环氧基，可能具有制造粘合层的潜力。多样化的新材料和表面的改性大大提高了生物相容性，降低了电极植入失败和异物反应的风险。基材的生物相容性可减少感染和炎症，并延长电极的使用时间。天然材料，如丝素蛋白和纤维素，也被用于增强电极的生物相容性。至于生物降解性，它有助于颅内电极的安置或作为药物输送系统或支架。因此，从BCI电极的先进材料的角度，该综述总结了各种电极的共同点，以激发该领域更巧妙的设计。

Figure 3. Some typical intracranial electrodes.

Figure 4. Some electrodes with biodegradability and multifunctional electrodes.

尽管开发便携且安全的BCI柔性电极仍存在许多障碍，但它仍然拥有光明的未来。基于柔性电极的BCI技术已经通过脑控运动和语言功能以及治疗各种神经和认知障碍来体现其价值。此外，物联网也是BCI的蓝海。尤其是在元宇宙方面，BCI是未来元宇宙与人类之间的交互渠道，是吸引人们的完美方式。在BCI技术的帮助下，信息可以随时随地无缝传达。与运动控制或语音控制相比，它提供了更多的便利、隐私和可能性。它不仅可以影响人类的感官信息，还可以直接将物理信息传达给大脑，改变人类的交流方式。它可能是元宇宙的终极形式。此外，将大脑上传到云端，在数字空间中创建意识、情感和记忆，可能会提供一种实现精神永生的方法。如果人体的感觉器官和四肢冬眠或冷冻，只保留大脑的活动，可以减少其他疾病的损害和影响，同时也可以用有限的能量和资源延长大脑的寿命。

BCI的商业化和产业化仍然需要材料科学、神经科学、计算机科学、工程学和其他学科之间的合作。柔性电极作为BCI最重要的硬件之一，无论使用什么电极，主要目标是传输脑电信号，以便在人与机器之间架起桥梁，更深入地了解其机制，并改善人们的生活质量。利用不同类型的电极将是未来提供更好的信号的趋势。有创和非侵入性脑电图检测方法将长期共存并相互学习。同时，在材料、制造方法和基底材料方面仍需不断探索和开发。

该综述以“Flexible Electrodes for Brain-Computer Interface System”为题发表在Advanced Materials上。西北工业大学柔性电子研究院黄维院士，李鹏教授和王腾蛟副教授为论文的共同通讯作者，西北工业大学柔性电子研究院硕士研究生王俊杰为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202211012

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（责任编辑：xu）

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