用于可靠的EEG监测和易于头皮清洁的形成可注射水凝胶的聚合物溶液的制作方法

本发明涉及用于接合银/氯化银(ag/agcl)电极与皮肤的电解质凝胶。形成可注射水凝胶的组合物能够在应用之后不久胶凝，确保了用于电生理学信号采集的可靠的电接触。更特别地，本发明的电解质凝胶特别地用于eeg记录领域中。

发明背景

通过监测头皮表面上的生物电位波动的大脑研究可追溯到二十世纪的上半叶。从技术观点来看，所谓的eeg信号的记录包括在生物电极和电解质凝胶之间的界面发生的离子向电子信号转导，其允许通过电子装置获得和加工信号。ag/agcl电极，通常用电解质凝胶应用以降低接触阻抗，多年来由于其可靠性、固有噪声水平低和电位稳定性已成为eeg的金标准[1,2]。eeg已经系统用于研究人大脑的生理条件和病理，例如中风[3]和癫痫[4]。在最近十年，该技术的应用已经延伸到在非临床应用比如运动科学[5]和脑机界面(braincomputerinterfaces)[6]中研究人大脑功能。

在另一方面，实际的ag/agcl/电解质凝胶组合已经是许多问题的来源。实际上，存在由于凝胶流动和扩散引起电极短路的不可忽略的风险，特别是在高密度eeg中(128至256个电极)。进一步，凝胶很强地粘着头发和头皮，迫使患者在检查之后充分地洗头以除去凝胶残渣。

对于一种更迅速有效的eeg系统(其结合了实际的ag/agcl电极电解质凝胶组合的性能与更快和更容易应用/除去的方案)的需要已经转化为大量的技术方案[7-12]。接下来，将分析所公开发明的框架中最相关的技术方法。

用于替代ag/agcl电极的长期候选者是所谓的“干”电极。干电极使用机械地偶联皮肤的惰性导电材料进行信号传递，无需使用电解质凝胶，因此形成了理想的即插即用系统(plug-and-playsystem)[7,13,14]。然而，界面阻抗实质上较高，必须整合电极上的前置扩增步骤[13,14]或使用主动屏蔽进行信号传输[15]。干电极被证明对于运动伪像(movementartefacts)更敏感，并且接触阻抗很大程度上取决于电极内收压力(electrodeadductionpressure)[16]。

一种在不存在凝胶接触下实现低电极/头皮接触阻抗的不同方法是使用基于微针阵列的电极，其穿透角质层(sc)高度绝缘的皮层[8]。由于sc被短路，这些电极的性能接近于用商业ag/agcl电极和凝胶得到的。然而，报道5％的尖状物(spikes)在检查期间断裂，保留嵌入表皮中，因而增加了感染和炎症反应的风险。

一种获得低阻抗(湿)头皮接触的进一步的替代方式包括使用触摸笔的工作原理。在该情况下，电极由芯材料(触摸笔尖端)形成且在背侧具有贮液器。所述材料可以是聚合物[17]、金属[18]或陶瓷[19]，其毛细管作用性质能够使其分配保湿液，因此保持湿电极/皮肤界面而不会弄脏头皮。结果证实了所述概念的可行性和所述装置的长期自主性(至多8小时)，但是存在液体，并且事实上这些通常是相当复杂的多部件装置，可增加成本和在反复应用期间产生关于清洁和机械稳定性的功能性问题。

水凝胶也已经成功地用于产生生物相容性、兼容性和离子传导性电极/头皮界面，其在ecg和emg一次性电极中的应用非常普遍[2]。

一些研究也存在于将水凝胶应用于eeg记录领域中。alba等人[20]报道了关于用保湿剂溶液(提高皮肤导电性)溶胀的聚丙烯酸酯水凝胶建立头皮界面，将ag/agcl线传感器嵌入水凝胶中进行信号转导。用单电极进行体内测试，显示水凝胶/头皮接触的阻抗位于“湿”和“干”电极的阻抗之间，其保持稳定至多8小时，可以以良好质量记录基本的eeg信号。该研究可以看作是水凝胶应用于eeg电极加工的概念的证据。kleffner-canucci等人[21]使用溶于盐溶液中的n-异丙基丙烯酰胺共-丙烯酸(nipam)水凝胶作为凝胶替代产品，以增加eeg记录时间。用geodesicsensornet(gsn)帽(electricalgeodesics,inc,usa)以多电极阵列测试产品。证实新的制剂降低了水蒸发速率，能够延长eeg记录时间，至多4.5小时。

在商业术语中，最常见的eeg设定包括具有嵌入的ag/agcl多电极阵列的帽，其中每个电极位点具有在应用之前填充电解质凝胶的结合腔，以桥连电极与头皮。因此，电极不会接触头皮。可获得该方案的不同实现，比如waveguard(ant,medicalimagingsolutionsgmbh)、quik-cap(compumedics-neuroscan)、biosemi(biosemib.v.,thenetherlands)或easycap(easycapgmbh)系统。electricalgeodesicsinc.提出了一种不同的系统gsn网，其中电极经由测地线网连接，每个电极位点具有海绵状物，其在即将检查之前用盐溶液溶胀，从而避免了使用凝胶。溶胀是通过在检查之前，简单地将gsn网浸入盐溶液中进行的。相对于凝胶基系统的主要优点是制备时间短得多，并且事实上在最后不需要洗涤头发。除了在更久采集期间的干燥效果之外，海绵状物+盐溶液的方法的主要缺点是不可避免的多个电极之间的电短路(electricalshortcuts)。这相当大地限制了定义明确的领域的适用性，并且一直必须考虑信号处理。为了长期监测，可以使用电解质糊或专用电解质代替盐溶液。neuroelectricscompanyinc.提出了一种采用的水凝胶基方法，其包括作为消耗品销售且适合电极腔的“固体凝胶”部分，桥连电极与头皮。在该情况下，也不需要在检查之后洗头。

发明简述

本发明涉及一种聚合物基电解质，其用于桥连ag/agcleeg电极与头皮。描述了一种可注射的聚合物组合物，其能够形成用于eeg记录的水凝胶。本发明的另一个目的是所得到的水凝胶及其制备方法，以及所述可注射组合物用于可靠的eeg监测和易于头皮清洁的的用途。

形成可注射水凝胶的聚合物组合物包括：天然或合成聚合物，优选藻酸盐；聚合引发体系或交联剂，优选钙盐；和至少一种离子化盐，以提供足够的导电性。水凝胶粘度可以通过改变藻酸盐浓度调节，且胶凝速率可以通过改变藻酸盐与钙盐的比例调整。

类似于许多商业eeg电解质凝胶，产品以低粘度状态注射到安装在商业电极帽的电极腔中。然而，与用于eeg应用的常见电解质凝胶不同，新制剂在应用之后不久进行胶凝，形成嵌入头发层和可靠地桥连ag/agcl电极与头皮的固体水凝胶结构。离子化盐的存在能够使来自头皮的eeg生物信号传导到电极，并且皮肤渗透促进剂的存在有助于降低皮肤阻抗。所提出的水凝胶产品相对于常见电解质凝胶的主要优点是在eeg记录结束之后，水凝胶离开帽，破裂成用梳子容易除去的部分。相反，正常凝胶扩散且附着头发和头皮，需要洗头除去。而且，相对于正常电解质凝胶的一个重要的技术优势是，由于在应用之后不久形成固体产物，凝胶流动远离应用点(使邻近电极短路)的风险实质上降低了。对于其中电极数量可达到128或256的高密度eeg应用，这是特别重要的。在另一方面，由于使用仅皮肤许可的试剂确保皮肤渗透，该水凝胶更不容易引起变态反应。

附图说明

从下述作为非限制性实例制备的本发明一些实施方案的说明，结合附加的附图，根据本发明的可注射组合物的进一步特征和优点将更加显而易见，其中∶

图1显示绘制成硫酸钙与藻酸盐比例函数的所提出水凝胶的胶凝时间(三次重复)。插图显示凝胶在完全胶凝之后的最终形状和均匀性。

图2显示使用常规电解质糊(灰色)和水凝胶(黑色)同时进行eeg采集的测量设定：a)平行测量设定的总体方案，和b)等距电极排列指示比较的相邻电极(由线连接)。

图3显示示例性的6秒长度的相邻通道和eeg序列的时间域叠图∶a)使用通道ll1(常规糊)和ld1(水凝胶)记录的含有眨眼的eeg；b)使用通道ll13(常规糊)和ll12(水凝胶)记录的静息状态(0-3秒)和α活性(3-6秒)eeg。

图4显示视觉诱发电位(vep)试验的所有3名志愿者的总平均值∶a),c),e)ag/agcl电极与常规电解质糊的组合；b),d),f)ag/agcl电极与水凝胶的组合；a),b)在没有伪像下所有通道的蝶形图(butterflyplot)；c),d)在没有伪像下对所有通道计算的整体场功率(globalfieldpower)(gfp)；e),f)各个n75和p100组分的地形电位图(topographicpotentialmappings)。

图5显示welch估算功率谱密度(psd)的所有3名志愿者和64个通道的总平均值：实线指示含有显著的α活性的eeg的psd，而虚线指示静息状态eeg的psd。

图6显示在脱掉帽子之后两名志愿者的不同头部位置的照片∶a)右额-颞位置：水凝胶容易脱落(黑色圆形)，而常规电解质糊需要全面清洁(白色圆形)；和b)-d)cp1头部位置：在除去帽子之后，b)完全胶凝的水凝胶可以容易地用梳子除去，和c)毛发位置容易完全地清洁，d)在10秒之后用干毛巾清洁，而无需洗涤。

发明详述

本发明的一个目的是形成可注射水凝胶的聚合物组合物，其能够形成用于可靠的eeg监测和易于头皮清洁的水凝胶，所述组合物包括：第一组分，选自天然和合成聚合物；和第二组分，选自聚合引发体系或交联剂。

在一个优选的实施方案中，第一组分为包括藻酸盐的溶液，和第二组分为包括钙盐的溶液。

在一个更优选的实施方案中，第一组分进一步包括至少一种浓度范围为0.1％至10％的离子化盐，以提供足够的导电性。

在另一个优选的实施方案中，第一组分进一步含有保湿剂，优选甘油或丙二醇，和皮肤渗透促进剂，优选80。

在一个更优选的实施方案中，第一组分为包括2.8％(w/v)的藻酸钠，6％(v/v)的80，10％(v/v)的丙二醇和1.8％(w/v)的氯化钠的溶液；和第二组分为包括0.34％(w/v)的碳酸钙、0.14％(w/v)的硫酸钙脱水物和1.18％(w/v)的葡糖酸内酯的溶液。

本发明的还一个目的是用于可靠的eeg监测和易于头皮清洁的水凝胶，其由所述可注射的水凝胶形成物形成。

在一个优选的实施方案中，所述水凝胶的胶凝速率是通过改变藻酸盐与钙盐的比例可调节的。

在另一个优选的实施方案中，所述水凝胶的粘度是通过改变藻酸盐的浓度可调节的。

在一个甚至更优选的实施方案中，所述水凝胶适于应用在eeg电极腔上。

本发明的还一个目的是制备用于可靠的eeg监测和易于头皮清洁的水凝胶的方法，包括：混合如上所述的第一组分和第二组分。

本发明的还一个目的是形成可注射水凝胶的组合物的用途，包括下述步骤：

i)提供如上所述的第一组分和第二组分；

ii)结合第一组分和第二组分以诱导水凝胶生成，并应用到eeg帽系统的电极腔中；

iii)在用附着的固体水凝胶记录eeg之后移除eeg帽；

iv)如有必要，用梳子从头发上清洁固体水凝胶片。

在一个优选的实施方案中，在步骤ii)中，在应用之前混合第一和第二组分。

在一个甚至更优选的实施方案中，在步骤ii)中，使用装有搅拌器喷嘴的双注射器以减少胶凝时间。

因此，本文公开的发明描述了形成水凝胶的制剂的组合物和应用方法，所述形成水凝胶的制剂预期有利地替代用于eeg记录的传统电解质凝胶和糊。另外，本文给出的电解质凝胶可以应用于常用商业eeg帽和罩的电极腔内。所述凝胶制剂可以以一种或两种组分的形式存在。在第一种情况下，通过提供所定义的足够波长的光热形式的能量引发胶凝，而在第二种情况下，混合两种组分形成水凝胶。最通常的组分之一是单体、大分子单体或聚合物，和第二种组分含有聚合引发体系或交联剂。

水凝胶包括浓度范围为0.1％至10％的至少一种离子化盐，以提供足够的电导率，另外，其也可含有保湿剂比如甘油或丙二醇，和皮肤渗透促进剂，以便帮助水合角质层隔离层和使其更具渗透性。在任何情况下，都必须适当地评价任何外来化学试剂对胶凝动力学的干扰，以及所述产品的生物相容性。

一种优选的制剂包括含有2.8％(w/v)的藻酸钠、6％(v/v)的80、10％(v/v)的丙二醇、1.8％(w/v)的氯化钠的溶液，和含有0.34％(w/v)的碳酸钙、0.14％(w/v)的硫酸钙脱水物和1.18％(w/v)的葡糖酸内酯的第二种溶液。以相等份混合所述溶液，开始胶凝过程。胶凝速率可以通过改变藻酸盐与钙盐的比例调节。初始溶液的粘度可以通过改变藻酸盐的浓度调节。

在本发明中，用注射器进行其初始低粘度状态的水凝胶向电极腔内的应用。在其中制剂由两种组分组成的情况下，可以在应用之前制备混合物，例如通过在充满不锈钢球的塑料容器中振摇所述两种组分以促进形成混合物。根据要填充的电极数量，和由于所定义的产品适用期(potlife)，可以制备多于一批产品(形成固体以防止注射能力)。对于许多应用，足够的胶凝时间可以是8-10分钟。因此，应当优选地通过使用装有搅拌器喷嘴的双注射器应用所述制剂。在该情况下，胶凝时间可以减少至约3-5分钟，其对于凝胶组分混入喷嘴和分散到电极腔内的头发周围是足够的。

一旦检查完成，应当移除帽，如同使用普通电解质凝胶一样。然而，水凝胶将保持附着于电极杯，或者其将破裂成可以容易地用梳子除去的多个部分。相比于其它替代物，水凝胶将容易地除去，但是当用水溶胀水凝胶时应当进行清洁步骤。

当与electricalgeodesics提议的采用gsn帽的现有技术方案相比时，两种方法在eeg检查之后都无需洗头。然而，尽管电极制备时间较短，但是由于在海绵状物中存在盐溶液，与在常规电解质凝胶的情况下相比，采用electricalgeodesics方法，电极短路的风险甚至更高。kleffner-canucci[22]方法也从水凝胶基电解质开始，但是根据作者，这预期固定水，从而降低电解质蒸发速率和延长eeg记录时间。据说在eeg采集期间没有nipam电解质胶凝的可能性，因此据信从与头发和头皮接触行为的观点来看，该凝胶表现为正常的电解质凝胶。

与本发明声称的目标相同：为了实现在eeg检查之后头发和头皮干净，提出了neuroelectrics销售的所谓的电极系统，为此该公司提议了使用水凝胶。然而，代替使用注射到电极腔内形成水凝胶的溶液，该公司已经销售了水凝胶，其适合neuroelectrics帽的特定电极腔。由此可见，我们的发明的技术方案更加灵活，因为其可以与任何帽系统和电极材料一起使用。另一方面，从技术层面来说，当具有浓密头发或强烈卷发的患者使用系统时，在检查期间难于使已经固态化的水凝胶部分穿透头发，且到达头皮以形成可靠的接触。在本发明的情况下，凝胶溶液以液体形式注射，从而能够产生穿过头发且到达头皮的连续通路。一旦形成水凝胶，则头发应当有助于保持头皮接触。

实施例

为了证实替代传统eeg电解质凝胶的形成水凝胶的电解质概念的能力，选择藻酸钠聚合物(sigmaaldrich,mi,usa,ref.71238)和两种钙源(胶凝促进剂)。通过制备具有不同组成的几种溶液研究调整胶凝时间的可能性，显示可以通过改变表i的藻酸盐与钙的比例调节胶凝速率。

表i.制备水凝胶的组成

所述制剂中也可以包括防腐剂。图1显示硫酸钙∶藻酸钠的比例和胶凝时间之间的相关性。

通过使用h3制剂和128电极waveguard帽(antb.v.,netherlands)进行概念验证。在三个健康的成年志愿者上进行初步体内eeg检测。采用同时测量设定，使用64个相同ag/agcl电极与商业电解质糊(ecielectro-gel)和选择的水凝胶的组合的两个独立设定进行eeg数据的平行采集。在水凝胶完全胶凝之后进行测量。总测量设定和电极排列分别示意性地显示在图2a和图2b中。

在eeg记录开始之前和完成之后，使用eeg放大器的积分阻抗测量功能，使用8hz频率的方波信号和50％的工作循环，测量所有电极位置的电极-皮肤阻抗。对所有志愿者和通道计算的平均电极-皮肤阻抗，对于常规糊，从17±16kω降低至12±5kω，对于水凝胶，其从31±20kω降低至25±17kω。两个阻抗的降低值和变化表明了所述糊和水凝胶对头皮的水合作用。用水凝胶观察的阻抗值较高可归因于盐浓度较低和水凝胶内部截留的夹气(airinclusions)的存在，由于电极帽的作用原理和与常规凝胶相比水凝胶粘度升高，所述夹气的存在是不可能比避免的。进一步，对于水凝胶，预期皮肤水合功效降低，据此决定向水凝胶中加入温和的皮肤渗透促进剂(tween＠80)，而不是引起更高过敏风险的更有效组分[22,23]。然而，水凝胶阻抗仍然更适于eeg采集。

在约30分钟的全部记录时间期间，记录不同的eeg发作，包括静息状态eeg(睁着眼睛)，具有显著α活性的eeg(闭着眼睛)，及诱导眨眼和眼球运动伪像。而且，根据iscev2010标准，记录视觉诱发电位(vep)测试，包括300个棋盘图案的反向刺激。在图3中，以时间域显示eeg的叠图。图3a显示用相邻的前向通道ll1和ld1记录的eeg信号，前者使用常规糊，后者使用水凝胶。这些记录含有外在激发的眨眼伪像。图3b显示在示例性的通道ll13和ll12(分别对应于两种电解质类型(糊或水凝胶)记录中静息状态eeg和α活性。信号痕迹非常类似，信号形状和振幅两者都没有很大差异。

视觉诱发电位的总平均值获得了非常类似的结果(参见图4)。在单独通道(图4a和4b)，整体场功率(gfp)(图4c和4d)，以及n75或p100组分的示例性的地形图(topographicmappings)(图4e和4f)中，都没有看到实质差异。电解质和水凝胶信号的振幅、潜伏期和空间电位分布非常类似。

在频率域中，可见类似的结果。图5显示对于频率范围1-40hz，包括α活性(实线)和在静息状态期间(虚线)的eeg的功谱密度的平均welch评价。对于高于10hz的频率，不同的光谱彼此重叠。在α活性检测期间，对于商业糊，可见稍微提高的漂移(drift)，其可能与糊流动有关。然而，在静息状态eegpsd中，该漂移差异没有那么明显。对于商业糊和水凝胶，在10-13hz的频率范围中，α活性峰明显增强。

表ii列出了对于不同的eeg检测，用于比较水凝胶和商业糊之间rmsd和corr值(皮尔逊相关系数)的定量结果。所有值表示所有受试者和通道的平均值和标准偏差(std)。结果表明比较的eeg信号的非常好的相似性。依据我们的前述研究[24-26]，表ii中明显的差异可能是由于外部噪声和/或志愿者头部上比较的相邻电极的空间距离引起的。进一步，对于vep而言较高corr值和较低rmsd值都与由于平均刺激时期的数量引起的snr升高有关，如下讨论的。

表ii.定量eeg比较结果

图6显示两名志愿者的右额颞(fronto-temporal)和cp1头部区域的照片。照片是在移除eeg帽之后立即照的，并且是所有志愿者的示例。皮肤凹痕指帽的硅胶杯的接触面积，其通常在几分钟之后消失。显然可见(图6a)大多数的水凝胶位置(黑色圆形)没有残余物，而采用常规eeg糊的所有位置(白色圆形)都显示出相当大量的残余物。关于头部的头发位置，可以得到相同的观察结果，因为水凝胶容易用梳子除去(图6c)，并且在用干毛巾擦拭10秒之后头发是十分干净的(图6d)。因此，将相当大地减少在应用水凝胶之后清洁受试者头部的努力。该事实可在具有敏感皮肤的患者的eeg采集中具有极大优势，因为其将降低头皮上的整体压力。由于产品在注射之后在预定的时间之内进行胶凝，因此没有随后的凝胶扩散或流动。因此，相当大地降低了桥连相邻电极和因此使测定结果歪曲的风险。

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