Herkömmliche EEG-Erfassungsgeräte sind sperrig, basieren auf leitfähigem Gel und sind anfällig für Störungen. Damit die Brain-Computer-Interface-Technologie (BCI) wirklich Teil des Alltags wird, müssen Innovationen ganz am Anfang beginnen. Kürzlich veröffentlichte ein Team unter der Leitung des Forschers Liu Ran und Professor Gao Xiaorong von der School of Biomedical Engineering der Tsinghua-Universität eine bedeutende Errungenschaft in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces: Sie haben eine MXene-basierte Mikronadelelektrode entwickelt, die nicht nur eine qualitativ hochwertige EEG-Signalerfassung in komplexen Umgebungen ermöglicht, sondern auch die Vorteile bietet, gelfrei, tragbar und hochkompatibel zu sein. Diese neue Elektrode ebnet den Weg für die Verbreitung von BCI-Geräten.
Ⅰ. Ein intelligenteres „Brain Patch“
Herkömmliche Geräte zur Elektroenzephalographie (EEG) verwenden üblicherweise Gel-basierte Nasselektroden. Sie bieten zwar eine stabile Signalqualität, können jedoch umständlich in der Anwendung sein, Hautreizungen verursachen und anfällig für Störungen sein. In den letzten Jahren haben sich Trockenelektroden als Alternative herauskristallisiert, doch die Balance zwischen Komfort, Signalqualität und Tragekomfort ist eine ständige Herausforderung in der Materialwissenschaft und Neurotechnik.
Dieses Forschungsteam verwendete MXene (eine Art zwei{0}}dimensionales Kohlenstoffmaterial) als leitfähigen Kern und kombinierte es mit einer Mikronadelstruktur, um eine trockene EEG-Elektrode mit einer Größe von nur 1 Quadratmillimeter zu entwerfen. MXene hat in letzter Zeit aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit, Flexibilität und Biokompatibilität große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Das Mikronadel-Array ermöglicht es der Elektrode, die Oberflächenschicht der Haut, das Stratum corneum, „einfach zu durchdringen“, wodurch eine Rasur oder Gelanwendung überflüssig wird und die Erfassung von EEG-Signalen mit niedriger-Impedanz und hohem-Signal-zu-Rauschverhältnis ermöglicht wird. Dieser Aufbau verbessert nicht nur die Kontaktstabilität zwischen Elektrode und Kopfhaut deutlich, sondern bietet auch Vorteile wie Widerstandsfähigkeit gegen Bewegung, Schweiß und Wiederverwendbarkeit.
Ⅱ. Verarbeitung und Prüfung: Nicht nur leicht, sondern auch kompatibel mit MRT- und Hochgeschwindigkeitsbahnanwendungen.
Um die umfassende Leistung der Elektrode zu überprüfen, führten die Forscher experimentelle Tests in mehreren Dimensionen durch, darunter Materialeigenschaften, physiologische Signalerfassungsleistung, Biokompatibilität und MRT-Kompatibilität.
Zunächst setzten die Forscher bei der Elektrodenherstellung Mikroformung und Hydrogel-Trägertechnologie ein, um sicherzustellen, dass das Mikronadel-Array die Durchstichfähigkeit beibehält und gleichzeitig eine hervorragende Flexibilität beibehält, um Hautschäden zu verhindern. Die Oberfläche wurde mit MXene-Material behandelt, was eine kontrollierbare Dicke der leitfähigen Schicht ermöglicht und sowohl strukturelle Stabilität als auch hohe Signalerfassungsfähigkeiten erreicht.
Während der Signaltestphase wandte das Team die Elektrode an ein gemeinsames Paradigma der Gehirn-{0}}Computerschnittstelle an: Steady--State Visual Evoked Potential (SSVEP). SSVEP ist derzeit eine der stabilsten und genauesten Signalquellen in nicht-invasiven BCIs und wird häufig in Szenarien wie der Rechtschreibeingabe und der Robotersteuerung eingesetzt. Die Testergebnisse zeigten, dass diese Mikronadelelektrode eine mit herkömmlichen Gelelektroden vergleichbare Genauigkeit bei der SSVEP-Signalerfassung erreichte und in lauten Umgebungen und bei minimaler Bewegung sogar eine stabilere Leistung erbrachte.
Insbesondere bewertete das Forschungsteam auch die Kompatibilität der Elektrode mit der Magnetresonanztomographie (MRT) und stellte keine signifikanten Artefakte oder abnormale Erwärmung in hohen Magnetfeldern fest, was auf ihr Potenzial für eine zukünftige Verwendung bei der synchronisierten EEG-Erfassung während der klinischen Gehirnfunktionsbildgebung schließen lässt. Darüber hinaus haben Biokompatibilitätstests gezeigt, dass längeres Tragen keine Entzündungen oder Hautreaktionen hervorruft, sodass es für die tägliche oder kontinuierliche klinische Überwachung geeignet ist.
Ⅲ. Ein neuer Anfang in Richtung „Zero-Sensor“-BCIs
Die größte Bedeutung dieser Forschung liegt in ihrem Durchbruch beim Kompromiss zwischen Komfort und Leistung bei herkömmlichen EEG-Elektroden. Durch die Kombination der hohen Leitfähigkeit von MXene-Materialien mit den Durchdringungseigenschaften der Mikronadelstruktur erreicht diese Elektrode eine qualitativ hochwertige, langfristige EEG-Erfassung, ohne dass Gel erforderlich ist, und legt damit den Grundstein dafür, dass BCI-Geräte wirklich in die Ära der „tragbaren“ Geräte eintreten können.
Wir gehen davon aus, dass diese Mikronadel-Elektroden in Zukunft mit drahtlosen Kommunikationsmodulen, miniaturisierten Verstärkern und Edge-KI-Chips integriert werden, um ein Plug-{0}}and-{1}}Gehirn-Computersystem zu schaffen, das wie eine Smartwatch in das tägliche Leben integriert wird. Darüber hinaus kann es auch einem breiteren Spektrum medizinischer Anwendungen dienen, einschließlich Neurorehabilitation, Epilepsiewarnung und Schlafüberwachung. Für die Brain-Computer-Interface-Industrie bedeutet dies, dass die „letzte Meile“ vom Labor bis zum Markt überbrückt wird.