DOI: https://doi.org/10.3390/s26102973
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42197782
تاريخ النشر: 2026-05-08
المؤلف: Alexandra-Stefania Mihai وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطوير أقطاب تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) داخل الأذن باستخدام مركبات الهيدروجيل المدعمة بأنابيب الكربون النانوية (CNT)، وتحديدًا جيلاتين ميثاكريلات (GelMA) و2-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات (HEMA). تؤكد الدراسة على أهمية المواد المتوافقة حيويًا التي تحافظ على اتصال مستقر مع الأنسجة الظهارية لمراقبة نشاط الدماغ على المدى الطويل، خاصة في الفئات السكانية الصعبة مثل حديثي الولادة والمرضى الذين يعانون من اضطرابات عصبية. من خلال قياسات الطيف الكهروكيميائي (EIS) وتقييمات قدرة الترطيب، تحدد الدراسة أن تركيبة 3 wt% CNT تظهر خصائص كهروكيميائية مثالية، بما في ذلك مقاومة نقل الشحنات المنخفضة وسعة الطبقة المزدوجة العالية، مما يشير إلى شبكة موصلة متفوقة مقارنة بتركيزات CNT الأقل والهيدروجيل غير المدعوم.
بينما يظهر هيدروجيل 3 wt% CNT خصائص واعدة لتطبيقات EEG، هناك حاجة إلى مزيد من التحقق لتأكيد فعاليته في التقاط إشارات EEG عالية الدقة. ستركز الأبحاث المستقبلية على الطباعة ثلاثية الأبعاد للأقطاب المخصصة داخل الأذن ودمج هذه الهيدروجلات في نموذج أولي وظيفي لـ EEG. سيتم تقييم أداء هذا النموذج الأولي مقارنة بأقطاب Ag/AgCl التقليدية باستخدام نظام EEG OpenBCI، مع مقاييس رئيسية تشمل جودة الإشارة، ومقاومة تأثيرات الحركة، وثبات الترطيب على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك، ستستكشف الدراسة التأثيرات العازلة للشمع على أداء الأقطاب باستخدام زهم صناعي وواجهات مغطاة بالشمع، مما يمهد الطريق لأنظمة مراقبة EEG داخل الأذن المتقدمة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم في تقنيات مراقبة الأعصاب، مع التركيز بشكل خاص على تخطيط الدماغ الكهربائي داخل الأذن (EEG). يتم تكملة EEG التقليدي، الذي يسجل النشاط الكهربائي الحيوي للدماغ عبر أقطاب فروة الرأس، بتقنيات قابلة للارتداء مبتكرة تسمح بتسجيل إشارات EEG من داخل قناة الأذن. تقدم هذه الطريقة الجديدة وسيلة غير جراحية وسرية لمراقبة نشاط الدماغ بشكل مستمر، كما يتضح من نموذج أولي نجح في التقاط إشارات EEG قابلة للمقارنة مع تلك التي تم الحصول عليها من أقطاب فروة الرأس التقليدية. تبرز الدراسة إمكانيات EEG داخل الأذن للتطبيقات في علم الأعصاب للأطفال، خاصة للكشف عن النوبات تحت السريرية وتقييم نضج الدماغ في حديثي الولادة.
على الرغم من مزاياها، تواجه EEG داخل الأذن تحديات تتعلق بالتنوع التشريحي، وتأثيرات الحركة، وتأثيرات شمع الأذن على جودة الإشارة. يقترح المؤلفون استخدام هيدروجيل مدعوم بأنابيب الكربون النانوية لتحسين أداء الأقطاب داخل الأذن، مع معالجة قضايا مثل المقاومة العالية عند الواجهة والمرونة الميكانيكية. تقدم الدراسة تركيبة هيدروجيل جديدة تظهر موصلية عالية وثباتًا على مدى فترات طويلة، مما يمهد الطريق لتطوير أجهزة مخصصة قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد داخل الأذن. ستركز الأعمال المستقبلية على تصنيع النموذج الأولي والتحقق من هذه المواد تحت ظروف واقعية، بهدف تحسين موثوقية وفعالية تقنيات EEG القابلة للارتداء.
طرق البحث
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة لقياسات الطيف الكهروكيميائي (EIS) لعينات الهيدروجيل. تم إجراء EIS باستخدام محطة عمل كهروكيميائية OrigaLys، تغطي نطاق تردد من 100 كيلوهرتز إلى 10 مللي هرتز، مع تيار متردد قدره 500 ميكرو أمبير وسعة 5 مللي فولت. قبل القياسات، تم تحضير عينات الهيدروجيل في محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS) (pH 7.4) لمدة ساعتين لتحقيق توازن الترطيب، مستفيدين من خصائص PBS المتساوية الضغط ودورها في الحفاظ على خصائص انتفاخ الهيدروجيل.
تم استخدام إعدادين مختلفين لقياسات EIS: أحدهما في ظروف سائلة باستخدام تجميع ثلاثي الأقطاب (القطب المرجعي: Ag/AgCl، القطب المضاد: سلك Pt، القطب العامل: هيدروجيل) والآخر في ظروف جافة مع منصة ثنائية الأقطاب. تضمنت الإعداد الأخير غرفة مجوفة مع أقطاب فولاذية، مما يسمح بالضغط المنضبط لعينات الهيدروجيل. تم تحديد أبعاد خلية EIS، وتم ضبط قوة الضغط عبر براغي متصلة بالأقطاب. بينما كانت القياسات السائلة تهدف إلى إعادة إنتاجية في إلكتروليت فسيولوجي موحد، يعترف المؤلفون بأن هذه الوسيلة لا تحاكي تمامًا البيئة المعقدة لقناة الأذن، خاصة تأثيرات الشمع والزهم، التي قد تؤثر على المقاومة عند الواجهة في التطبيقات العملية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع مركبات هيدروجيل موصلة لأقطاب EEG داخل الأذن باستخدام 10% جيلاتين ميثاكريلات (GelMA) و2-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات (HEMA)، مع تضمين تركيزات متغيرة من أنابيب الكربون النانوية ذات الجدار الواحد (SWCNTs). تم إجراء قياسات الطيف الكهروكيميائي (EIS) تحت ظروف سائلة (محلول ملحي مخفف بالفوسفات، PBS) وظروف جافة. أشارت النتائج إلى أن تضمين SWCNTs عزز بشكل كبير من الموصلية الكهربائية للهيدروجيل، حيث انخفضت المقاومة بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم مع زيادة تحميل CNT. على وجه التحديد، أظهر العينة 3 (3 wt% CNT) أقل مقاومة كلية (~0.84 Ω•cm²) وأعلى سعة، مما يتماشى مع تحسين قدرة الترطيب وحركة الأيونات.
ومع ذلك، تحت الظروف الجافة، تدهور أداء الهيدروجيل، حيث ارتفعت قيم المقاومة إلى نطاق MΩ•cm² وعرضت نقاط بيانات متفرقة وغير قابلة لإعادة الإنتاج لم يكن من الممكن ملاءمتها للدارات المعادلة التقليدية. تم عزو هذا السلوك إلى غياب الإلكتروليت ووجود عيوب ومسامات داخل هيكل الهيدروجيل. على الرغم من أن العينة 3 حافظت على أقل مقاومة، إلا أن التباين في بيانات EIS تحت الظروف الجافة يشير إلى أن التركيبة الحالية قد لا تكون مناسبة للتطبيقات الطبية الموثوقة، مثل مراقبة EEG عالية الدقة. ستركز الأعمال المستقبلية على تقييم أداء المادة مع إشارات EEG ميكروفولت محاكاة وتسجيلات EEG حقيقية لتقييم إمكانياتها كمادة أقطاب قابلة للاستخدام.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على تطوير وتوصيف هيدروجلات GelMA/HEMA المدعمة بأنابيب الكربون النانوية ذات الجدار الواحد (SWCNTs) للاستخدام المحتمل في أقطاب EEG داخل الأذن. وجدت الدراسة أن زيادة تركيزات SWCNT أدت إلى تحسينات كبيرة في الخصائص الميكانيكية، حيث ارتفع معامل يونغ من حوالي 50 كيلو باسكال للهيدروجيل غير المدعوم إلى حوالي 430 كيلو باسكال عند 3 wt% SWCNT. يُعزى هذا التحسين إلى طرق التشتت الفعالة والتفاعلات المواتية عند الواجهة داخل المصفوفة المحبة للماء. أظهرت اختبارات التوافق الخلوي أن بقاء الخلايا تجاوز عتبات ISO 10993، مما يدعم ملاءمة هذه المركبات للتطبيقات الطبية الحيوية.
كشف الطيف الكهروكيميائي (EIS) أن تركيبة 3 wt% SWCNT أظهرت أقل مقاومة لنقل الشحنات وأعلى قدرة ترطيب، مما يدل على شبكة موصلة أكثر فعالية مقارنة بالتركيزات الأقل. ومع ذلك، أظهرت جميع العينات زيادة في المقاومة تحت الظروف الجافة، مما يبرز حساسية الهيدروجيل للجفاف، مما يطرح تحديات لتطبيقات EEG العملية. ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين هذه الهيدروجات لاستقرار طويل الأمد وأداء في ظروف العالم الحقيقي، بما في ذلك دمج المواد المرطبة واختبارها مقابل الأقطاب التقليدية للتحقق من فعاليتها في التقاط إشارات EEG.
DOI: https://doi.org/10.3390/s26102973
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42197782
Publication Date: 2026-05-08
Author(s): Alexandra-Stefania Mihai et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
The research investigates the development of intra-auricular electroencephalography (EEG) electrodes using carbon nanotube (CNT)-doped hydrogel composites, specifically Gelatin Methacrylate (GelMA) and 2-Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA). The study emphasizes the importance of biocompatible materials that maintain stable contact with epithelial tissue for long-term monitoring of brain activity, particularly in challenging populations such as newborns and patients with neurological disorders. Through electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and hydration capacity assessments, the study identifies that a 3 wt% CNT formulation exhibits optimal electrochemical properties, including low charge-transfer resistance and high double-layer capacitance, suggesting a superior conductive network compared to lower CNT concentrations and undoped hydrogels.
While the 3 wt% CNT hydrogel shows promising characteristics for EEG applications, further validation is necessary to confirm its efficacy in capturing high-fidelity EEG signals. Future research will focus on the 3D printing of customized in-ear electrodes and the integration of these hydrogels into a functional EEG prototype. The performance of this prototype will be evaluated against conventional Ag/AgCl electrodes using an OpenBCI EEG system, with key metrics including signal quality, resistance to motion artifacts, and long-term hydration stability. Additionally, the study will explore the insulating effects of cerumen on electrode performance using synthetic sebum and cerumen-coated interfaces, laying the groundwork for advanced intra-aural EEG monitoring systems.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements in neuromonitoring techniques, particularly focusing on intra-auricular electroencephalography (EEG). Traditional EEG, which records brain bioelectric activity via scalp electrodes, is being complemented by innovative wearable technologies that allow for the recording of EEG signals from within the ear canal. This new approach offers a discreet, non-invasive method for continuous brain activity monitoring, as demonstrated by a prototype that successfully captured EEG signals comparable to those obtained from conventional scalp electrodes. The study highlights the potential of intra-auricular EEG for applications in pediatric neurology, particularly for detecting subclinical seizures and assessing brain maturity in neonates.
Despite its advantages, intra-auricular EEG faces challenges related to anatomical variability, motion artifacts, and the effects of earwax on signal quality. The authors propose the use of carbon nanotube-doped hydrogels to enhance the performance of in-ear electrodes, addressing issues such as high interfacial impedance and mechanical flexibility. The study presents a novel hydrogel formulation that exhibits high conductivity and stability over extended periods, paving the way for the development of customized, 3D-printable intra-auricular devices. Future work will focus on prototype fabrication and validation of these materials under realistic conditions, aiming to improve the reliability and effectiveness of wearable EEG technologies.
Methods
In this section, the authors describe the methods employed for electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements of hydrogel samples. The EIS was conducted using an OrigaLys electrochemical workstation, covering a frequency range from 100 kHz to 10 mHz, with an AC current of 500 µA and an amplitude of 5 mV. Prior to measurements, the hydrogel samples were conditioned in a phosphate-buffered saline (PBS) solution (pH 7.4) for two hours to achieve hydration equilibrium, leveraging PBS’s isotonic properties and its role in maintaining the hydrogel’s swelling characteristics.
Two distinct EIS measurement setups were utilized: one in liquid conditions using a three-electrode assembly (reference electrode: Ag/AgCl, counter electrode: Pt wire, working electrode: hydrogel) and the other under dry conditions with a two-electrode platform. The latter setup involved a hollow chamber with steel electrodes, allowing for controlled compression of the hydrogel samples. The dimensions of the EIS cell were specified, and the compression force was adjusted via screws connected to the electrodes. While the liquid measurements aimed for reproducibility in a standardized physiological electrolyte, the authors acknowledge that this medium does not fully mimic the complex environment of the ear canal, particularly the insulating effects of cerumen and sebum, which could influence interfacial impedance in practical applications.
Results
In this study, conductive hydrogel composites were synthesized for intra-aural EEG electrodes using 10% gelatin methacrylate (GelMA) and 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), incorporating varying concentrations of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements were conducted under both liquid (phosphate-buffered saline, PBS) and dry conditions. The results indicated that the incorporation of SWCNTs significantly enhanced the electrical conductivity of the hydrogels, with impedance decreasing by over two orders of magnitude as CNT loading increased. Specifically, Sample 3 (3 wt% CNT) exhibited the lowest total resistance (~0.84 Ω•cm²) and the highest capacitance, correlating with improved hydration capacity and ion mobility.
Under dry conditions, however, the performance of the hydrogels deteriorated, with impedance values rising to the MΩ•cm² range and exhibiting highly dispersed, non-reproducible data points that could not be fitted to conventional equivalent circuits. This behavior was attributed to the absence of an electrolyte and the presence of defects and pores within the hydrogel structure. Although Sample 3 maintained the lowest resistance, the variability in EIS data under dry conditions suggests that the current formulation may not be suitable for reliable medical applications, such as high-fidelity EEG monitoring. Future work will focus on evaluating the material’s performance with simulated microvolt EEG signals and real EEG recordings to assess its potential as a viable electrode material.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the development and characterization of GelMA/HEMA hydrogels doped with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) for potential use in intra-aural EEG electrodes. The study found that increasing SWCNT concentrations led to significant improvements in mechanical properties, with Young’s modulus rising from approximately 50 kPa for the undoped hydrogel to about 430 kPa at 3 wt% SWCNT. This enhancement is attributed to effective dispersion methods and favorable interfacial interactions within the hydrophilic matrix. Cytocompatibility tests indicated that cell viability exceeded ISO 10993 thresholds, supporting the suitability of these composites for biomedical applications.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) revealed that the 3 wt% SWCNT formulation exhibited the lowest charge-transfer resistance and highest hydration capacity, indicating a more effective conductive network compared to lower concentrations. However, all samples showed increased impedance under dry conditions, highlighting the hydrogels’ sensitivity to dehydration, which poses challenges for practical EEG applications. Future research will focus on optimizing these hydrogels for long-term stability and performance in real-world conditions, including the integration of humectants and testing against conventional electrodes to validate their efficacy in capturing EEG signals.