过程工程所白硕研究员团队 AM：开发具有运动不敏感特性和机械鲁棒性的双连续相导电水凝胶电极-为可穿戴生物电子设备带来突破性进步

2024-12-18 来源：高分子科技

高质量的神经信号对于疾病诊断与治疗、脑机接口、航空航天等领域具有极其重要的应用价值。然而，从人体表面获取高质量的神经信号是一项极具挑战性的工作。因为出汗、剧烈运动等人体活动可能导致采集电极与皮肤接触不良和形变等，从而产生运动伪影，降低信号质量。因此，开发一种集导电性、粘附性、形变不敏感以及优异机械性能于一身的多功能水凝胶，成为构建神经电极的研究热点之一。但要在单一水凝胶体系中同时实现卓越的导电性和机械强度，仍然是一个重大挑战，这主要是因为导电聚合物的疏水性质与水凝胶的亲水特性之间存在天然的冲突。

图1. 一步酸诱导法制备双连续相导电凝胶。

为解决上述问题，由中国科学院过程工程研究所白硕研究员课题组和清华大学张沕琳教授课题组联合开发了一种新型的双连续相导电水凝胶电极。这种水凝胶电极以其卓越的电导率和机械性能，以及对运动不敏感的特性，有望在生物电子领域带来重大突破。本研究提出了一种简洁高效的一步酸诱导策略，该策略不仅加速了亲水性聚合物的凝胶化过程，还促进了疏水性导电聚合物在温和环境下的原位相分离，形成一种特殊的双连续相结构，赋予了水凝胶卓越的电学特性（电导率达到906 mS cm^?1）和优异的机械性能（断裂应变高达1103%）。此外，这种水凝胶构建了强健的渗透网络，得益于其熵弹性，在承受机械应力时能维持结构的稳定，展现出卓越的应变不敏感性、低机械滞后和高弹性（达到95%）。另外，由这种导电水凝胶制成的电极在与皮肤接触时，展现出稳定且极低的界面接触阻抗（在1-100 Hz频率范围内为1-6千欧姆）以及显著较低的噪声功率（4.9 μV2）。这种水凝胶的运动不敏感特性和机械鲁棒性将使得生物信号的高效可靠检测成为可能。

2024年12月16日，该工作以“Acid-Induced in Situ Phase Separation and Percolation for Constructing Bi-Continuous Phase Hydrogel Electrodes With Motion-Insensitive Property”为题发表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2024, 2415445. DOI: 10.1002/adma.202415445）。博士生韩青权为论文第一作者，清华大学博士生高希刚、张超为论文共同第一作者，白硕研究员、王安河副研究员和张沕琳副教授为共同通讯作者。该研究得到了中国科学学院战略先导计划(Grant No. XDB0520300)、国家自然科学基金(Grant No 22277121、 22072155、22307117、 62227801)和北京市自然科学基金(. 7212206)的资助。

图2. 基于酸诱导形成的水凝胶电极应用于人体剧烈运动信号检测。

该工作是团队近期关于设计、制备多功能水凝胶并应有构建神经电极的最新进展之一。在过去几年中，团队采用自由基氧化降解策略制备了仿贻贝聚多巴胺纳米颗粒，用于同步增强水凝胶体系的导电性和粘附性，并应用到注意力水平分析中，首次实现了注意力水平7分类任务的精准预测（Adv. Mater. 2023, 35, 2209606）。此外，团队开发了一种新型液/液界面超微离电可植入器件，首次实现了对非电化学活性抑制性神经信号的脑内实时动态监测（Sci. Adv. DOI:10.1126/sciadv.adr7218）。以多功能水凝胶构建的传感器可以精确且长期的检测人体运动信号, 为可穿戴电子设备的广阔应用带来了新策略和突破性进展（Matter 2022, 5, 3643., ACS Appl. Bio Mater. 2021, 4, 6148., Bio-Des. Manuf.. 2019, 2, 269., Bio-Des. Manuf. 2022, 5, 153.）。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202415445

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（责任编辑：xu）

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