广东以色列理工学院王燕团队 Sci. Adv.：10微米厚超薄韧透气水凝胶电子皮肤传感器实现日常穿戴长期连续人体健康监测
皮肤生物电子的长时连续人体健康监测功能为及时疾病预防、筛查、诊断和治疗提供了有效途径，对于个性化健康医疗具有重要意义。水凝胶作为一类含有高水分的交联聚合物，由于其与生物组织的相似性以及在电学、力学和生物功能工程方面的多样性，已经在皮肤生物电子领域引起了广泛关注。水凝胶皮肤生物电子器件在健康相关应用领域表现出巨大潜力，如生物信号检测、人机界面、精准治疗等。然而，制备超薄、透气、能够自粘附于人体皮肤并适合长期日常使用 (>1 周) 的水凝胶传感器仍具挑战。
这些传感器不仅需要超薄、具有气体透过性，还需要具备良好皮肤粘附性、机械鲁棒性，并且能够抗失水。首先，制备具有高气体透过性、皮肤粘附性和机械鲁棒性的微米级厚度水凝胶非常困难。由于制备技术和操作方面的挑战，超薄透气和自粘附型水凝胶非常少。此外，微米级厚度水凝胶由于牺牲了机械强度，通常容易受到机械损坏。要想改善水凝胶机械性能，通常会导致器件厚度增大，严重限制透气性能，其厚重外形尺寸还可能引起机械或感觉干扰。此外，另一个不可忽视的问题是水凝胶固有的易失水特性，该特性会导致在长时间监测过程中信号恶化。值得注意的是，较薄的水凝胶由于较高的表面积与体积比会使器件干燥速度加快。
近日，广东以色列理工学院王燕、东京大学Takao Someya、中国石油大学(北京)王春雅教授课题组研发了一种 10 微米厚的纳米网格增强型透气水凝胶皮肤传感器，它能在人体日常生活条件下自粘附于人体皮肤，并实现连续8天高质量电生理信号监测。本研究包括两个关键步骤：首先，设计明胶热敏相变水凝胶材料；其次，通过纳米网格增强结构实现超薄韧特性。由此得到水凝胶皮肤电极厚度低至10 微米，并表现出优异机械鲁棒性、皮肤粘附性、透气性和抗失水性能。为了展现其在疾病早期发现及治疗方面的应用，我们展示了该水凝胶电极对人体心电图、肌电图、运动传导速度、眼电图、脑电图、听觉脑干反应、视觉诱发电位等信号的高保真长期连续监测。该工作以“A 10-micrometer-thick nanomesh-reinforced gas-permeable hydrogel skin sensor for long-term electrophysiological monitoring”为题发表在《Science Advances》上（https://doi.org/10.1126/sciadv.adj5389）。论文的第一作者是博士生章宗漫。该研究得到国自然、广东省科技厅和李嘉诚基金会等项目支持。
图1. 用于长期连续电生理监测的10微米厚的纳米网格增强型透气水凝胶皮肤传感器。(A) PU纳米网格增强水凝胶设计示意图。(B)超薄水凝胶用于长期连续电生理信号监测，如心电图、肌电图、运动传导速度、眼电图、脑电图、听觉脑干反应和视觉诱发电位。(C) 超薄水凝胶附着在阳极氧化铝基板上的横截面扫描电子显微镜图像。刻度尺，10微米。(D) 机械鲁棒性：超薄水凝胶支撑大量水分。拉伸应力(σ)：σ=Pr/2t。其中P、r和t分别为水的压力、曲率半径和超薄水凝胶的厚度。刻度尺，1厘米。(E) 超薄水凝胶从人体皮肤上剥离的照片，显示出良好的附着性和高弹性。刻度尺，1厘米。
图2. 热响应相变水凝胶材料和超薄水凝胶的表征。(A) 在高温（55℃）和室温（25℃）下拍摄的水凝胶照片和红外摄像机图像，说明它们温度依赖的相变特性。刻度尺，1厘米。(B) 不同配方的水凝胶溶液在从75℃到10℃的温度扫描中的流变特性，显示它们在粘性液态和弹性凝胶态之间的转变。(C) 从（B）计算得到的相应tanδ (G″/G′)。(D) 不同配方的水凝胶和超薄水凝胶的傅立叶变换红外光谱（FTIR）。(E) GGBWNa和PU0.3-GGBWNa的光学透射率，插图展示了超薄水凝胶与绿叶紧密贴合。刻度尺，1厘米。(F) 冻干超薄水凝胶内部结构的扫描电子显微镜图像。刻度尺，5微米。(G) 未覆盖的瓶子、覆盖有1000微米厚PDMS薄膜的瓶子和覆盖有约10微米厚超薄水凝胶的瓶子的水蒸气透过率比较。(H) 在室温环境下，超薄水凝胶的抗失水性能持续21天。(I) 水凝胶和PU纳米网格增强水凝胶的厚度比较。误差条表示测量值的标准偏差（SD）（n = 3）。
图3. PU纳米网格增强水凝胶的力学和粘附特性。(A) PU纳米网格、水凝胶和PU纳米网格增强水凝胶的拉伸应力曲线。(B) 从（A）计算得到的PU纳米网格增强水凝胶的杨氏模量和韧度比较。(C) 在100%应变下，超薄水凝胶的循环拉伸/回复曲线。(D) 照片展示了在粘附分离实验中超薄水凝胶从人工皮肤上剥离的过程。刻度尺，1厘米。(E) PU纳米网格增强水凝胶的力程曲线。(F) PU纳米网格增强水凝胶在人工皮肤上的面积粘附能和分离行程比较。(G) 显微镜图像显示了超薄水凝胶无缝附着在人体皮肤上。刻度尺，1厘米。(H) 超薄水凝胶在200次附着/分离粘附循环期间的标准化粘附能。误差条表示测量值的标准偏差（SD）（n = 3）。
图4. 超薄透气水凝胶传感器在日常生活条件下进行长期连续高保真心电信息（ECG）监测。(A) 商用凝胶和超薄水凝胶的皮肤-电极接触阻抗分析。(B) 超薄水凝胶附着在受试者胸部用于测量ECG信号的示意图。(C) 静坐状态下商用凝胶（上图）和超薄水凝胶（下图）记录的ECG信号。(D) 超薄水凝胶在第1天上午11点到晚上11点期间监测各种正常日常活动的ECG信号监测（上图）和心率结果（下图）。插图显示了放大的数据段。(E) 第2天到第7天的ECG信号监测，插图显示了放大的数据段。(F) 超薄水凝胶在第8天下午2点到第2天上午2点期间监测各种正常日常活动的ECG信号监测（上图）和心率结果（下图），单位为任意单位（a.u.）。
图5. 超薄透气水凝胶传感器进行的其他长期高保真电生理监测。(A) 测量MCV信号的实验设置示意图。(B) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的MCV信号。(C) 测量EOG信号的实验设置示意图。(D) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的EOG信号。(E) 测量EEG信号的实验设置示意图。(F) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的EEG alpha节律。(G) 从(F)获取的EEG信号的功率谱密度。(H) 测量ABR信号的实验设置示意图。(I) 商用凝胶和水凝胶记录的ABR波形。(J) 测量VEP信号的实验设置示意图。(K) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的VEP信号。所有提到的生理信号在连续佩戴24小时期间进行监测，单位为任意单位（a.u.）。
由于超薄结构、优异的机械性能、透气性、自粘附性和抗失水能力等关键特性的协同作用，该水凝胶传感器可实现在日常生活条件下连保持长期高保真生理电信号监测。超薄结构是通过在高温(55-75°C)下将电纺纳米网格浸入稀释的明胶水凝胶溶液中，然后在生理温度下实现凝胶化。纳米网格极大提高了超薄水凝胶的机械鲁棒性。透气性归因于水凝胶的超薄和多孔结构特质。此外，超薄结构也有助于其自粘附性，以及在水凝胶-皮肤界面形成的强且可逆的化学和物理键。此外，通过引入甘油/水二元溶剂和水合盐实现了其抗失水能力。
这项工作标志着水凝胶皮肤传感器从厚重缺乏透气性的外形尺寸特征演化到透气薄韧。然而，为了适应极端环境，如极端温度、湿度、机械损伤以及酸性/碱性环境等，需要先进材料开发，以同时获得特定适应性属性，实现长期连续的人体关键生理信号监测应用。此外，在数字健康领域以及人体/脑机接口中，还需整合人工智能，以实现精准诊断、治疗及控制。这项工作为面向长时连续人体健康监测水凝胶皮肤生物电子的未来发展提供了新的材料和结构途径，代表了迈向非侵入式个性化医疗保健的重要一步。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5389
