一、摘要

可適應的水凝膠生物電子設備在早期疾病診斷和個性化醫療中至關重要，能夠維持長期不間斷的操作。然而，傳統的水凝膠電極存在機械脆弱、快速脫水、凍結以及因厚度引起的界面間隙導致的舒適性差等問題。在本研究中，作者報道了一種厚度為2.7微米的堅固、透過性強且抗凍的水凝膠電極，可在日常場景下實現高質量的8天電生理監測。該超薄電極采用明膠水凝膠制成，具有溫控相變特性，并通過納米網增強，同時加入氯化鋰和二元溶劑，以實現抗凍和抗脫水特性。該設計最小化了彎曲剛度，從而提高了與人皮膚的界面粘附能，并增強了氣體（空氣、氧氣和二氧化碳）的透過性以及水蒸氣傳輸速率。因此，超薄水凝膠電極展現出高生物相容性、優越的佩戴舒適度，并將運動和汗水偽影降至最低，使其能夠在各種現實活動中進行可靠、不間斷的無線健康監測，并適應寒冷環境。

二、背景介紹

持續運行較長時間的皮膚生物電子設備對于早期疾病檢測、治療和個性化健康護理至關重要。由于水凝膠能夠密切模擬生物組織的特性，因而在這一領域中成為了一個關鍵組成部分。這推動了軟電子設備的發展，如生物物理傳感器、生物化學傳感器和電生理傳感器；能量存儲設備；自愈合電路；治療系統；以及軟體機器人。然而，為了實現可靠的長期生物信號采集，水凝膠電極必須克服兩個主要挑戰：易于干燥和凍結的敏感性以及機械強度的局限性。此外，它們還應提供優良的皮膚粘附性、舒適性和透氣性，以確保穩定和不間斷的應用。水凝膠主要由水組成，傾向于在低溫下干燥并變得脆弱。改善抗干燥和抗凍結性能的努力包括添加離子、有機溶劑、離子液體和保護性包覆層。值得注意的是，納入冷凍保護劑、有機酸以形成雙溶劑和無機鹽在緩解這些局限性方面顯示出良好的前景。例如，經過甘油處理的水凝膠在凍干后表現出88%的重量保留，并在?70°C時仍保持柔韌性。此外，通過雙網絡結構和填料增強來提高機械性能，已生產出耐用性更強的水凝膠，例如聚丙烯酰胺-海藻酸鹽雙網絡能夠拉伸超過其原始長度的四倍，以及在?20°C時實現高達3 MPa的拉伸強度和700%伸展性的納米網增強水凝膠。

高皮膚粘附性在水凝膠中可以通過離子相互作用和范德瓦爾斯力實現，強粘附性通常歸因于天然多酚化合物，如兒茶酚、多巴胺和單寧。例如，一種聚丙烯酰胺-多巴胺-單寧酸水凝膠已展示出支持連續心電圖（ECG）監測和遠程診斷3小時的能力。氣體滲透性對舒適性和皮膚健康至關重要，通過減少水凝膠的厚度可以改善這一特性，最近開發的超薄水凝膠在延長健康監測方面已證明了這一點。盡管取得了這些進展，基于水凝膠的生物電子設備在長期健康監測中仍面臨重大挑戰。

在本研究中，作者呈現了一種厚度為2.7微米的堅固、透氣且抗凍的水凝膠電極，能夠實現超過一周的高質量日常電生理監測。該超薄特性通過在高溫（55°C）下將聚氨酯（PU）納米網涂層浸入稀釋的明膠水凝膠溶液中實現，隨后在常溫或生理溫度下進行凝膠化。納米網的增強使得該2.7微米厚的水凝膠具有1.0 × 10?3 nN·m的低彎曲剛度；238.4%的拉伸率；在100%拉伸下的耐久性為1000個循環；空氣、氧氣和二氧化碳的透過率分別為3.0 × 10^4、3.2 × 10^4和3.6 × 10^4氣體透過單位（GPU；1 GPU = 10?6 cm3 [標準溫度和壓力] cm^?2 s^?1 cmHg?1）；以及水蒸氣透過率為1252.3 g m?2 day?1。通過添加水-甘油二元溶液和氯化鋰（LiCl），實現了抗干燥和抗凍性能，在高達740 mm^?1的高表面積與體積比下，超薄水凝膠在12天后僅損失2%的水分，并能耐受低至?90°C的超低溫。由于氫鍵的協同效應及水凝膠與皮膚界面的高皮膚順應性，超薄水凝膠表現出384.1 μJ cm?2的高面粘附能。該超薄水凝膠電極展現出良好的生物相容性、優越的佩戴舒適性、最小化的運動和汗液偽影，以及對寒冷環境的適應性。這些特性使得水凝膠電極能夠進行長期、高保真度的日常電生理監測，例如心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）。

三、內容詳解

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3.1 超薄水凝膠用于長期動態健康監測

圖1. 用于長期步態健康監測的超薄水凝膠。(A) 超薄水凝膠電極進行無線心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）監測的示意圖。(B) 超薄水凝膠在人體皮膚上的透氣、抗干燥和抗凍的示意圖，放大部分顯示超薄水凝膠的內部組成。(C) 超薄水凝膠從人體皮膚剝離的照片。比例尺，1厘米。(D) 超薄水凝膠貼合人體皮膚的光學顯微鏡圖像。比例尺，500微米。(E) 冷凍干燥超薄水凝膠的微觀形態掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。比例尺，50微米。(F) 附著在陽極基材上的超薄水凝膠的橫截面SEM圖像。比例尺，10微米。(G) 一塊大自由懸掛的超薄水凝膠照片。比例尺，5厘米。(H) 在日常活動中，超薄水凝膠電極進行連續的步態心電圖監測，持續8天。放大面板突出顯示在行走、實驗室實驗、進食、午睡、睡眠和桌面工作期間捕獲的不同心電圖波形。

3.2 超薄水凝膠的合成與表征

圖2. 超薄水凝膠的合成與表征。(A) 左側：在10°C至75°C溫度范圍內對GGV、GGVL和GGVL0.6水凝膠進行的流變特性表征。右側：展示GGVL水凝膠在粘彈性膠態和粘性液態之間相變的照片。比例尺，1 cm。(B) 明膠、GV、GGV、GGVL和PU0.1-GGVL水凝膠的FTIR光譜。(C) GV、GGV和GGVL水凝膠的DSC（差示掃描量熱法）光譜。(D) 在第1天和第7天，控制組和GGVL水凝膠組中培養的L-929細胞的細胞活力及熒光染色圖像。比例尺，50 μm。(E) 不同納米網密度的PU納米網增強水凝膠的厚度。(F) GGVL水凝膠及不同納米網密度的PU納米網增強GGVL水凝膠的應力-應變曲線。(G) PU納米網增強水凝膠的力程曲線，插圖顯示了粘附分離測試方法的示意圖。PI，聚酰亞胺。(H) 超薄水凝膠在7天內的面積粘附能。(I) 左側：PU0.1-GV、PU0.1-GGV和PU0.1-GGVL水凝膠在恒溫室中經過12天的抗干燥性能。右側：超薄水凝膠與2毫米厚的塊狀GV水凝膠的抗干燥能力比較。(J) 超薄水凝膠與3微米厚的聚合物薄膜的空氣、氧氣和二氧化碳透過率比較。插圖是氣體透過率實驗裝置的示意圖。(K) 未覆蓋瓶、覆蓋2.7微米厚PU0.1-GGVL水凝膠的瓶和覆蓋3微米厚聚合物薄膜的瓶的WVTR比較。(L) 超薄水凝膠和商業水凝膠在運動前后在人皮膚上的照片和紅外圖像。比例尺，1 cm。誤差條表示測量值的標準差（n = 3）。

3.3 最小運動和出汗偽影及長期健康監測

圖3. 最小運動和出汗偽影以及長期健康監測。(A) 超薄水凝膠電極與商業凝膠電極的皮膚接觸阻抗比較。(B) 在100 Hz下，8天內的皮膚接觸阻抗變化。(C) 超薄水凝膠電極與商業凝膠電極的心電圖信號和信噪比(SNR)比較。(D和E) 在劇烈出汗的物理運動和運動后場景中，商業凝膠電極與超薄水凝膠電極的信噪比和心電圖信號比較，(E)展示了以1公里每小時(km h?1)行走、以3和7公里每小時跑步及出汗時的代表性心電圖信號，(D)則包括相應的信噪比，另有以5公里每小時的跑步附加數據。(F) 使用超薄水凝膠電極在第1天1730期間進行各種日常活動時的心電圖信號（上）和心率結果（下）。放大面板突出顯示在實驗室實驗、進食、步行、睡眠和辦公過程中捕獲的獨特心電圖波形。(G) 使用超薄水凝膠電極在第7天1730期間進行各種日常活動時的心電圖信號（上）和心率結果（下）。放大面板突出顯示在辦公、實驗室實驗、睡眠、步行、進食和小憩過程中捕獲的獨特心電圖波形。

3.4 高保真腦電圖監測

圖4. 高保真腦電圖監測。(A) 右側乳突（M2）電極放置的示意圖。(B) 使用商業腦電圖膠水、超薄水凝膠電極以及經過-80°C儲存后的超薄水凝膠電極獲得的腦電圖信號。(C) (B)中腦電圖信號的功率譜密度（PSD）分析。(D) 超薄水凝膠電極獲取的900秒不間斷的α波。放大面板突出顯示在閉眼狀態下捕獲的獨特腦電圖信號及其對應的PSD。(E至H) 超薄水凝膠電極在1周內記錄的腦電圖信號（上）和聲譜圖（下）。每個圖表展示了腦電圖信號（上）及其對應的頻率幅度映射聲譜圖，顯示幅度與頻率的關系（下）。在閉眼狀態下觀察到特征性的α節律。

四、全文總結

目前的設計往往過于厚重，妨礙了透氣性和舒適性，并且容易干燥和結冰，限制了其在實際應用中的可靠性。此外，許多現有的抗干燥和抗結冰解決方案增加了厚度或降低了靈活性，使其不適合無縫、連續的使用。在本研究中，持續的心電圖監測在長時間內突顯了2.7微米厚的超薄水凝膠電極的卓越性能。該電極具有優良的氣體和蒸汽滲透性、最小的彎曲剛度、與皮膚相匹配的楊氏模量以及強大的附著力，同時具備抗干燥和抗脫水特性，提供了優越的佩戴舒適性，并克服了較厚水凝膠電極的局限性。這些特性使得電極能夠形成一個自粘合界面，即使在劇烈活動和出汗的情況下也能無縫貼合人體皮膚。由此產生的協同效應最小化了運動和汗水偽影，從而促進了連續八天的高保真、無間斷心電圖監測。因此，該電極在極寒環境下顯示出精確診斷和可靠性能的巨大潛力。

五、文獻信息

Wang, Y.et al.A 2.7-μm-thick robust, permeable, and antifreezing hydrogel electrode for long-term ambulatory health monitoring.Science Advances11, eadt2286 (2025). doi:10.1126/sciadv.adt2286

來源：感知科學前沿