Die kontinuierliche und zuverlässige Aufzeichnung von Elektroenzephalogrammen (EEG) stellt seit jeher eine Herausforderung dar, insbesondere wenn die Elektroden auf einem behaarten Kopf angebracht werden müssen. Schwache EEG-Signale und die physikalischen Barrieren, die Haare bilden, erschweren die Sicherstellung eines stabilen und störungsfreien Kontakts zwischen den Elektroden und der Kopfhaut. Traditionelle Elektrodenlösungen, wie metallische Ag/AgCl-Elektroden mit leitfähigem Gel, sind zwar etabliert, bringen jedoch diverse Nachteile mit sich. Sie erfordern oft eine aufwändige Hautvorbereitung, können beim Gebrauch unangenehm sein, das Gel trocknet mit der Zeit aus, was die Signalqualität beeinträchtigt, und es besteht die Gefahr von Hautreizungen. Zudem führen Bewegungen des Trägers zu häufigen Artefakten und einer verringerten Aufnahmequalität.
In dieser Hinsicht markiert die Entwicklung neuer, hautadhäsiver und haarähnlicher Elektroden einen bedeutenden Fortschritt in der EEG-Technologie. Das Konzept der „Stick-and-play“ haarähnlichen Elektroden beruht auf einem flexiblen, dünnen und äußerst dehnbaren Material, das mit einer bioadhäsiven Schicht ausgestattet ist. Diese ermöglicht eine dauerhafte, hautschonende und gleichzeitig feste Haftung auf der Kopfhaut, ohne dass eine Hautvorbereitung oder die Verwendung von Leitgel erforderlich ist. Die Struktur der Elektroden ahmt menschliches Haar nach, was nicht nur ästhetischen Zwecken dient, sondern auch eine diskrete Integration in das Erscheinungsbild der Trägerin oder des Trägers gewährleistet. Dadurch verschwinden soziale Stigmata, die mit dem Tragen herkömmlicher EEG-Elektroden einhergehen können.
Die Herstellung der haarähnlichen Elektroden erfolgt mittels modernster 3D-Drucktechnologie, genauer gesagt dem Direct Ink Writing-Verfahren (DIW). Diese Technik erlaubt eine präzise und reproduzierbare Abscheidung von verschiedenen funktionalen Materialien in fein abgestimmten Schichten. Dabei besteht die Elektrode primär aus einem leitfähigen Polymerhydrogel, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine enorme Dehnbarkeit aufweist. Dieses Polymerhydrogel besteht aus einer Mischung von Poly(3,4-ethylenedioxythiophen): Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) und hydrophilem Polyurethan, was eine optimale Balance zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Flexibilität bietet. Um eine robuste, aber zugleich flexible Haftung auf der Haut zu erreichen, wurde ein spezieller bioadhäsiver Klebstoff entwickelt.
Dieser bioadhäsive Stoff basiert auf einem UV-gehärteten Polymernetzwerk, bestehend aus Polyurethan- und Poly(akrylsäure)-Ketten, die durch kovalente Bindungen stabilisiert werden. Die Einführung von NHS-Ester-Funktionalitäten verbessert die Bindung an Hautproteine zusätzlich durch die Reaktion mit Aminogruppen. Diese intensive Bindung sowohl auf molekularer als auch auf mechanischer Ebene sorgt dafür, dass die Elektroden auch bei Bewegung, Schweißbildung oder Haarpflegeaktivitäten zuverlässig haften und ihre Position beibehalten. Die mechanischen Eigenschaften des bioadhäsiven Materials sind auf die Weichheit und Elastizität der menschlichen Haut abgestimmt, was nicht nur den Tragekomfort erhöht, sondern auch die conformale Anpassung an die ungleichmäßigen Konturen des behaarten Kopfes ermöglicht. Die Elektroden können sich dehnen und biegen, ohne an Haftung einzubüßen oder das Signal zu beeinträchtigen.
Dies ist entscheidend, um Bewegungsartefakte zu minimieren und eine gleichbleibend hohe Signalqualität über längere Zeiträume zu gewährleisten. Im Vergleich zu herkömmlichen EEG-Elektroden zeigen die haarähnlichen Elektroden eine deutlich niedrigere elektrische Impedanz am Hautkontakt, was sich in einer verbesserten Signalaufnahme durch eine höhere Signal-Rausch-Trennung manifestiert. Diese Eigenschaften wurden durch umfangreiche elektrophysiologische Messungen auf der Kopfhaut von Probanden bestätigt. Dabei wurde ein Impedanzwert von deutlich unter 20 kΩ im Frequenzbereich von 10 bis 100 Hz gemessen – ein Wert, der mit dem industriellen Standard der leitfähigen Gel-Elektroden konkurrenzfähig oder sogar überlegen ist. Die EEG-Aufzeichnungen, die mit diesen haarähnlichen Elektroden durchgeführt wurden, dokumentieren klar erkennbare Gehirnwellenmuster, etwa im Alpha-Bereich bei entspannten, mit geschlossenen Augen durchgeführten Tests.
Die Signale sind über Zeitspannen von 24 Stunden hinaus stabil, was den Einsatz für chronische Überwachungen etwa bei Epilepsiepatienten oder Schlafstörungen besonders vorteilhaft macht. Die Vielfalt der verfügbaren Haarfarben bei der Elektrodenfertigung ermöglicht außerdem eine nahezu unsichtbare Integration unabhängig vom individuellen Haartyp, was den ästhetischen und psychologischen Komfort der Benutzer weiter steigert. Das hohe Potential dieser Technologie liegt nicht nur im klinischen Bereich, sondern eröffnet auch neue Perspektiven im Consumer-Health-Bereich, etwa für Wearables, die mentalen Stress, kognitive Funktionen oder neurologische Zustände kontinuierlich messen können. Durch die komfortable und dezent getragene Bauweise könnten Nutzer über längere Zeiträume hinweg ohne Einschränkungen begleitet werden. Zudem erleichtert das unkomplizierte «Stick-and-play»-Prinzip die Anwendung und soll die Akzeptanz solcher Systeme in Alltagssituationen steigern.
Darüber hinaus ergeben sich Chancen zur Erweiterung der Einsatzgebiete in der Schnittstelle menschlicher Kommunikation mit Maschinen. Brain-Computer-Interfaces profitieren von stabilen, hochauflösenden EEG-Daten zur Verbesserung der Steuerungsgenauigkeit und der Nutzerfreundlichkeit. Die neuen Elektroden könnten daher die Entwicklung von assistiven Technologien für Menschen mit motorischen Einschränkungen, Virtual-Reality-Anwendungen und sogar im Bereich der Neuroergonomie signifikant vorantreiben. Insgesamt stellen die bioadhäsiven haarähnlichen Elektroden eine wegweisende Innovation für die Langzeit-EEG-Messung dar. Sie kombinieren neueste Materialwissenschaften mit präziser Fertigungstechnik zu einer Benutzerfreundlichkeit und Robustheit, die bisherige Systeme nicht erreichen.
Die Möglichkeit, ohne aufwendige Hautvorbereitung und mit minimaler Störung des Trägers kontinuierlich EEG-Daten von hoher Qualität zu erfassen, eröffnet neue Horizonte in Diagnostik, Therapie und Forschung neurologischer Erkrankungen. Die zukünftige Entwicklung könnte in der Integration weiterer Funktionen liegen, wie z.B. der Kombination mit anderen Biosensoren, der drahtlosen Signalübertragung oder der Einbindung künstlicher Intelligenz zur Echtzeitanalyse von EEG-Daten. Herausforderungen bleiben weiterhin die Optimierung für verschiedene Haartypen, die Kostenreduktion und die weitere Verbesserung der Haltbarkeit und Biokompatibilität.
Dennoch zeichnet sich ab, dass die haarähnlichen bioadhäsiven Elektroden viele Hürden der traditionellen EEG-Technologie erfolgreich überwinden und damit die neurologische Überwachung und die neurotechnologische Forschung nachhaltig verändern werden.
