1成果简介
脑机接口（BCI）为人类或动物大脑与外部设备之间的直接通信提供了一种途径。其中基于EEG信号的非侵入式脑机接口由于其安全性高、成本低以及时间分辨率高等优势应用广泛。其中电极在脑电信号采集方面起着极其重要的作用，而湿电极由于其准备时间长以及难以长期稳定测量信号等原因，难以满足日常场景BCI的应用需求。近年来随着BCI在康复治疗领域应用普及，在各种磁场变化条件下的应用场景也逐步增多。因此，亟需开发一款具有核磁共振兼容性、长期稳定性的脑电电极。
本研究制备了一款具有高电导率、强机械性能以及高稳定性的微针电极贴片，该微针电极以聚乳酸（PLA）为基底材料，并在表面附着MXene（Ti₃C₂Tₓ）材料，从而在保持强机械性能的同时具备高电导率。微针电极的针长为800 μm，每个针具有一个边长为200 μm的正方形基座，可以轻松穿透皮肤，且在微针插入皮肤期间的疼痛评估中平均视觉模拟评分（VAS）为0.5（评分范围为0-12），能够友好地进行佩戴使用。该电极具有强机械性能，在微针弯曲之前的最大压强为2763MPa。同时该电极能在长时间（3 h）内保持稳定的接触阻抗（＜50kΩ），且基于该微针电极的SSVEP范式实验输出准确率分别为100%（无毛发）和80%（有毛发）。而在MRI测试中，微针电极在T1与T2加权序列下均未产生明显伪影，并在扫描过程中无明显温升趋势，表现出优异的核磁共振兼容性。且TMS操作期间该微针电极的性能与凝胶电极几乎一致。为了探究动态脑电图中的运动伪影问题，该研究还将受试者固定在振动加速度为0.5 G和5 Hz的振动频率平台下，进行拼写任务实验，其脑电信号在处理之后仍可达到70%的准确率。
2研究亮点
优异的核磁共振兼容性：微针的微小尺寸和聚合物材料的固有特性，在核磁环境下表现出优异的兼容性，该电极在核磁环境中无明显的伪影，且过程中无明显的发热现象。同时，在经颅磁刺激中表现出优异的抗干扰能力。
优异的稳定性：佩戴期间（12 h）内维持较低的接触阻抗。且在振动实验和运动条件下，依旧保持较低接触阻抗和较高的信号保真率。
3图文解析
图1. a 微针电极的使用示意图。b 微针电极的制造流程图。c 微针电极插入头皮示意图。d 微针电极通过导电粘合剂与标准按钮帽粘黏起来。e 微针电极与脑电帽进行组合。
图2. a 层状和线性MXene改性的电极表面。b 不同MXene形貌对电极接触阻抗的影响。c 平板结构和微针结构对电极接触阻抗的影响。d 三个不同受试者连续佩戴12小时内电极的接触阻抗。e 不同研究中电极接触阻抗的比较分析。f 应力测试评估微针电极的强度。g 微针针体的标准屈服曲线分析。h 使用明胶（蓝色）和覆盖有凝胶的薄膜（紫色）模拟真皮层和带有表皮的皮肤，并进行微针电极穿刺模拟实验。
图3. a 采用人成纤维细胞对微针电极进行细胞毒性评估。b 将微针电极CCK试验结果与空白对照组比较。c 微针电极在核磁共振环境中进行实验。d 使用微针电极在经颅磁刺激（TMS）的应用中进行实验。e 通过T1和T2序列的核磁共振成像，对MXene微针电极（下方）和镀金（上方）微针电极的差异进行比较。f 通过连续核磁扫描，观察电极表面温度，进而评估微针电极的热效应。g 使用微针电极和凝胶电极在经颅磁刺激期间进行信号采集。
图4. a 有毛发和没有毛发的受试者使用微针电极，并进行视觉诱发电位实验。b 微针电极在不同时间（0 h和3 h）和不同位置的接触阻抗。c 在不同时间（0 h和3 h）有/无毛发受试者的接触阻抗进行对比分析。d 使用微针电极在T=0.5 s时对受试者进行视觉刺激的EEG数据。e 使用微针电极实现基于SSVEP范式的键盘应用。f 使用微针电极实现基于SSVEP范式的文本输出过程的图片。g 基于微针电极脑机接口在不同时间（0 h和3 h）的文本输出准确率进对比。
图5. a 受试者坐在振动平台上并对受试者进行干扰，进而评估微针电极的抗干扰能力。b 通过在不同振动频率下使用微针电极并测量基于SSVEP范式文本输出的准确度。c 在不同振动频率下，凝胶电极和微针电极SSVEP范式文本输出的准确度。d 在行走、慢跑和快跑的运动状态下不同区域的微针电极阻抗变化。e 在实际运动场景中使用微针电极进行脑电数据采集，其不同区域的电极阻抗和信号。
4研究结论
该研究提出了一款由聚乳酸（PLA）为基底材料，并在表面附着MXene材料的微针电极，该电极拥有较为优异的机械性能以及电化学性能，同时具备较强的抗干扰性能，对振动和运动条件有着强大的适应性。能够在振动或运动条件下保持持续的低接触阻抗，从而维持高质量脑电信号的采集。该电极具备核磁共振兼容性，在核磁共振条件下保持无伪影状态和较小的温度变化。使其能够适应各种磁变化环境，并保持稳定的高保真的脑电信号采集能力。由该电极集成的系统基于SSVEP范式能够高效、准确的执行拼写任务，并且在运动状态下以及保持较高准确率。其优异的性能为脑机接口日后的发展提供了新的思路。
英文标题：MXene-Based Microneedle Electrode for Brain–Computer Interface in Diverse Scenarios
原文链接DOI：10.1021/acsami.5c03798.
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