广东理工学院-以色列理工学院：研究一种用于长期便携式健康监测的超薄水凝胶电极

一、摘要

可适应的水凝胶生物电子设备在早期疾病诊断和个性化医疗中至关重要，能够维持长期不间断的操作。然而，传统的水凝胶电极存在机械脆弱、快速脱水、冻结以及因厚度引起的界面间隙导致的舒适性差等问题。在本研究中，作者报道了一种厚度为2.7微米的坚固、透过性强且抗冻的水凝胶电极，可在日常场景下实现高质量的8天电生理监测。该超薄电极采用明胶水凝胶制成，具有温控相变特性，并通过纳米网增强，同时加入氯化锂和二元溶剂，以实现抗冻和抗脱水特性。该设计最小化了弯曲刚度，从而提高了与人皮肤的界面粘附能，并增强了气体（空气、氧气和二氧化碳）的透过性以及水蒸气传输速率。因此，超薄水凝胶电极展现出高生物相容性、优越的佩戴舒适度，并将运动和汗水伪影降至最低，使其能够在各种现实活动中进行可靠、不间断的无线健康监测，并适应寒冷环境。

二、背景介绍

持续运行较长时间的皮肤生物电子设备对于早期疾病检测、治疗和个性化健康护理至关重要。由于水凝胶能够密切模拟生物组织的特性，因而在这一领域中成为了一个关键组成部分。这推动了软电子设备的发展，如生物物理传感器、生物化学传感器和电生理传感器；能量存储设备；自愈合电路；治疗系统；以及软体机器人。然而，为了实现可靠的长期生物信号采集，水凝胶电极必须克服两个主要挑战：易于干燥和冻结的敏感性以及机械强度的局限性。此外，它们还应提供优良的皮肤粘附性、舒适性和透气性，以确保稳定和不间断的应用。水凝胶主要由水组成，倾向于在低温下干燥并变得脆弱。改善抗干燥和抗冻结性能的努力包括添加离子、有机溶剂、离子液体和保护性包覆层。值得注意的是，纳入冷冻保护剂、有机酸以形成双溶剂和无机盐在缓解这些局限性方面显示出良好的前景。例如，经过甘油处理的水凝胶在冻干后表现出88%的重量保留，并在−70°C时仍保持柔韧性。此外，通过双网络结构和填料增强来提高机械性能，已生产出耐用性更强的水凝胶，例如聚丙烯酰胺-海藻酸盐双网络能够拉伸超过其原始长度的四倍，以及在−20°C时实现高达3 MPa的拉伸强度和700%伸展性的纳米网增强水凝胶。

高皮肤粘附性在水凝胶中可以通过离子相互作用和范德瓦尔斯力实现，强粘附性通常归因于天然多酚化合物，如儿茶酚、多巴胺和单宁。例如，一种聚丙烯酰胺-多巴胺-单宁酸水凝胶已展示出支持连续心电图（ECG）监测和远程诊断3小时的能力。气体渗透性对舒适性和皮肤健康至关重要，通过减少水凝胶的厚度可以改善这一特性，最近开发的超薄水凝胶在延长健康监测方面已证明了这一点。尽管取得了这些进展，基于水凝胶的生物电子设备在长期健康监测中仍面临重大挑战。

在本研究中，作者呈现了一种厚度为2.7微米的坚固、透气且抗冻的水凝胶电极，能够实现超过一周的高质量日常电生理监测。该超薄特性通过在高温（55°C）下将聚氨酯（PU）纳米网涂层浸入稀释的明胶水凝胶溶液中实现，随后在常温或生理温度下进行凝胶化。纳米网的增强使得该2.7微米厚的水凝胶具有1.0 × 10−3 nN·m的低弯曲刚度；238.4%的拉伸率；在100%拉伸下的耐久性为1000个循环；空气、氧气和二氧化碳的透过率分别为3.0 × 10^4、3.2 × 10^4和3.6 × 10^4气体透过单位（GPU；1 GPU = 10−6 cm³ [标准温度和压力] cm^−2 s^−1 cmHg−1）；以及水蒸气透过率为1252.3 g m−2 day−1。通过添加水-甘油二元溶液和氯化锂（LiCl），实现了抗干燥和抗冻性能，在高达740 mm^−1的高表面积与体积比下，超薄水凝胶在12天后仅损失2%的水分，并能耐受低至−90°C的超低温。由于氢键的协同效应及水凝胶与皮肤界面的高皮肤顺应性，超薄水凝胶表现出384.1 μJ cm−2的高面粘附能。该超薄水凝胶电极展现出良好的生物相容性、优越的佩戴舒适性、最小化的运动和汗液伪影，以及对寒冷环境的适应性。这些特性使得水凝胶电极能够进行长期、高保真度的日常电生理监测，例如心电图（ECG）和脑电图（EEG）。

三、内容详解

欲了解详细制备过程，请阅读原文。

3.1 超薄水凝胶用于长期动态健康监测

图1. 用于长期步态健康监测的超薄水凝胶。(A) 超薄水凝胶电极进行无线心电图（ECG）和脑电图（EEG）监测的示意图。(B) 超薄水凝胶在人体皮肤上的透气、抗干燥和抗冻的示意图，放大部分显示超薄水凝胶的内部组成。(C) 超薄水凝胶从人体皮肤剥离的照片。比例尺，1厘米。(D) 超薄水凝胶贴合人体皮肤的光学显微镜图像。比例尺，500微米。(E) 冷冻干燥超薄水凝胶的微观形态扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺，50微米。(F) 附着在阳极基材上的超薄水凝胶的横截面SEM图像。比例尺，10微米。(G) 一块大自由悬挂的超薄水凝胶照片。比例尺，5厘米。(H) 在日常活动中，超薄水凝胶电极进行连续的步态心电图监测，持续8天。放大面板突出显示在行走、实验室实验、进食、午睡、睡眠和桌面工作期间捕获的不同心电图波形。

3.2 超薄水凝胶的合成与表征

图2. 超薄水凝胶的合成与表征。(A) 左侧：在10°C至75°C温度范围内对GGV、GGVL和GGVL0.6水凝胶进行的流变特性表征。右侧：展示GGVL水凝胶在粘弹性胶态和粘性液态之间相变的照片。比例尺，1 cm。(B) 明胶、GV、GGV、GGVL和PU0.1-GGVL水凝胶的FTIR光谱。(C) GV、GGV和GGVL水凝胶的DSC（差示扫描量热法）光谱。(D) 在第1天和第7天，控制组和GGVL水凝胶组中培养的L-929细胞的细胞活力及荧光染色图像。比例尺，50 μm。(E) 不同纳米网密度的PU纳米网增强水凝胶的厚度。(F) GGVL水凝胶及不同纳米网密度的PU纳米网增强GGVL水凝胶的应力-应变曲线。(G) PU纳米网增强水凝胶的力程曲线，插图显示了粘附分离测试方法的示意图。PI，聚酰亚胺。(H) 超薄水凝胶在7天内的面积粘附能。(I) 左侧：PU0.1-GV、PU0.1-GGV和PU0.1-GGVL水凝胶在恒温室中经过12天的抗干燥性能。右侧：超薄水凝胶与2毫米厚的块状GV水凝胶的抗干燥能力比较。(J) 超薄水凝胶与3微米厚的聚合物薄膜的空气、氧气和二氧化碳透过率比较。插图是气体透过率实验装置的示意图。(K) 未覆盖瓶、覆盖2.7微米厚PU0.1-GGVL水凝胶的瓶和覆盖3微米厚聚合物薄膜的瓶的WVTR比较。(L) 超薄水凝胶和商业水凝胶在运动前后在人皮肤上的照片和红外图像。比例尺，1 cm。误差条表示测量值的标准差（n = 3）。

3.3 最小运动和出汗伪影及长期健康监测

图3. 最小运动和出汗伪影以及长期健康监测。(A) 超薄水凝胶电极与商业凝胶电极的皮肤接触阻抗比较。(B) 在100 Hz下，8天内的皮肤接触阻抗变化。(C) 超薄水凝胶电极与商业凝胶电极的心电图信号和信噪比(SNR)比较。(D和E) 在剧烈出汗的物理运动和运动后场景中，商业凝胶电极与超薄水凝胶电极的信噪比和心电图信号比较，(E)展示了以1公里每小时(km h−1)行走、以3和7公里每小时跑步及出汗时的代表性心电图信号，(D)则包括相应的信噪比，另有以5公里每小时的跑步附加数据。(F) 使用超薄水凝胶电极在第1天1730期间进行各种日常活动时的心电图信号（上）和心率结果（下）。放大面板突出显示在实验室实验、进食、步行、睡眠和办公过程中捕获的独特心电图波形。(G) 使用超薄水凝胶电极在第7天1730期间进行各种日常活动时的心电图信号（上）和心率结果（下）。放大面板突出显示在办公、实验室实验、睡眠、步行、进食和小憩过程中捕获的独特心电图波形。

3.4 高保真脑电图监测

图4. 高保真脑电图监测。(A) 右侧乳突（M2）电极放置的示意图。(B) 使用商业脑电图胶水、超薄水凝胶电极以及经过-80°C储存后的超薄水凝胶电极获得的脑电图信号。(C) (B)中脑电图信号的功率谱密度（PSD）分析。(D) 超薄水凝胶电极获取的900秒不间断的α波。放大面板突出显示在闭眼状态下捕获的独特脑电图信号及其对应的PSD。(E至H) 超薄水凝胶电极在1周内记录的脑电图信号（上）和声谱图（下）。每个图表展示了脑电图信号（上）及其对应的频率幅度映射声谱图，显示幅度与频率的关系（下）。在闭眼状态下观察到特征性的α节律。

四、全文总结

目前的设计往往过于厚重，妨碍了透气性和舒适性，并且容易干燥和结冰，限制了其在实际应用中的可靠性。此外，许多现有的抗干燥和抗结冰解决方案增加了厚度或降低了灵活性，使其不适合无缝、连续的使用。在本研究中，持续的心电图监测在长时间内突显了2.7微米厚的超薄水凝胶电极的卓越性能。该电极具有优良的气体和蒸汽渗透性、最小的弯曲刚度、与皮肤相匹配的杨氏模量以及强大的附着力，同时具备抗干燥和抗脱水特性，提供了优越的佩戴舒适性，并克服了较厚水凝胶电极的局限性。这些特性使得电极能够形成一个自粘合界面，即使在剧烈活动和出汗的情况下也能无缝贴合人体皮肤。由此产生的协同效应最小化了运动和汗水伪影，从而促进了连续八天的高保真、无间断心电图监测。因此，该电极在极寒环境下显示出精确诊断和可靠性能的巨大潜力。

五、文献信息

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

来源：感知科学前沿