对下一代可穿戴设备应用中高精度表皮压力感知的日益追求，使电子皮肤成为精准医疗和人机交互的重要仿生平台。传统的表皮压力传感器受到界面分层和机械不匹配的严重限制，在动态条件下会影响长期监测的准确性。
图1原位粘附水凝胶界面的设计、形成、集成和应用示意图。
针对上述问题，北京林业大学杨俊教授与北京口腔医院白玉兴教授等人利用原位黏附生物凝胶策略（IAB），以液态溶胶状态接触皮肤、球拍柄等目标表面，经温度调节完成原位凝胶化，实现与不规则基底实现无间隙贴合，从源头解决界面空隙与移位问题（图1）。IAB以甘油/水二元溶剂为基质，兼顾流动性与长期稳定性；整合明胶、磺化木质素（LS）、MXene、抗坏血酸（AA）四种核心成分，实现强黏附、高导电、抗氧化和类皮肤机械性能四大特性。
通过红外热成像和流变测试发现，IAB在20.4-50.7 oC之间能实现“加热变液态、冷却成凝胶”的可逆变化，这种转换主要靠明胶的氢键作用实现，而且加入磺化木质素后，凝胶状态更稳定，更适合在目标表面现场成型；借助红外光谱测试证实，木质素会通过氢键和静电作用与MXene结合，让材料内部结合更紧密；另外，添加抗坏血酸（AA）能让MXene层间距变大，还能减少其氧化，保证材料性能稳定（图2）。整体来看，IAB的热可逆溶胶-凝胶特性，使其能在目标表面完成原位凝胶化过程，达到优异的粘附性和稳定性。
图2 IAB原位胶凝及抗氧化稳定性的结构表征及机理研究。
通过力学测试探究木质素含量对IAB机械性能的影响（图3），发现随木质素含量优化，IAB的断裂应力与应变显著提升，且展现出缺口不敏感特性，经多循环拉伸、压缩后仍保持结构完整与力学稳定性，同时具备优异的拉伸、弯曲、扭转等形变耐受性；借助热循环与长期暴露实验，结合阻抗监测，证实添加抗坏血酸（AA）的IAB能有效抑制 MXene氧化，在多次热循环与长期放置后阻抗变化小，抗氧化稳定性突出；通过性能对比可见，与纯明胶水凝胶相比，IAB在机械韧性、导电性能与稳定性上均有显著提升，其协同增强效应为动态传感应用提供可靠保障。
图3卓越的机械鲁棒性和抗氧化稳定性。
通过界面观测与对比实验，证实原位黏附生物凝胶（IAB）可在猪皮、弧形/锥形等不规则基底表面实现无缝贴合，无界面空隙；而非原位水凝胶（EB）因预制结构限制，易出现界面剥离与空隙，且IAB在皮肤动态压缩、扭转过程中仍能保持稳定黏附，EB 则易发生边缘翘起（图4）。借助黏附性能测试，发现IAB对纸张、塑料、金属、猪皮等多种基材均具备高黏附强度，且经多次黏附循环后性能衰减微弱，长期反复贴合皮肤仍能保留 60% 以上初始黏附力，同时在汗液、水流环境下黏附稳定性优异。通过细胞毒性实验、皮下植入实验及水蒸气透过率测试验证，IAB具有良好生物相容性，对细胞增殖无抑制作用，植入后无明显炎症反应，且水蒸气透过率远高于人体皮肤，可避免佩戴时皮肤不适，为长期表皮应用提供生物安全性保障。
图4 IAB的原位组织粘附和生物相容性。
通过阻抗测试与性能表征，明确原位黏附生物凝胶（IAB）基压阻传感器的核心工作机制（图5）：外力作用下IAB形变促使内部离子迁移，增加导电通路接触位点，实现电阻动态变化。该传感器检测范围覆盖10 Pa至50 kPa，低压力区间与高压力区间分别呈现对应灵敏度，可精准捕捉从轻微触碰至剧烈运动的压力信号；响应时间与恢复时间分别低至30 ms、40 ms，远超人体皮肤感知速度，且在高压力基底上仍能识别100 Pa的细微压力增量，压力分辨率优异。经稳定性测试验证，传感器在10000次循环压缩后信号无明显衰减，持续承受恒定压力4小时仍保持稳定输出，无基线漂移，信号稳定性远高于传统非原位凝胶（EB）基传感器。基于IAB构建的 4×4 压阻传感器阵列，通过图案化电极设计实现均匀电流分布，可精准还原字母图案的压力轮廓，且在单点、多点压力刺激下能清晰呈现压力分布热力图，无信号串扰，具备优异的空间压力映射能力，为动态多区域压力监测提供支撑。
图5 基于IAB的电阻式动态多点压力传感器的设计与性能评价。
基于IAB构建的压阻传感器及4×4传感阵列，检测范围覆盖10 Pa至50 kPa，响应速度快（30 ms）、循环稳定性强（10000 次无衰减），且能精准实现空间压力映射。将其集成于智能羽毛球拍并结合CNN-LSTM-Attention 算法，对四种击球姿势识别准确率达 93.75%，验证了实用价值（图6）。该研究为下一代表皮电子设备提供新型生物界面方案，有望拓展至智能体育、精准医疗、人机交互等多领域，同时为解决动态场景下传感适配性与稳定性问题提供新思路。
图6 智能羽毛球运动检测的机器学习集成
该研究以“Mechanically Compliant and Stable Hydrogel Interfaces for Long-Term Dynamic Pressure Detection Toward Intelligent Sports Training”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，文章第一作者是北京林业大学博士研究生朱弘楠和北京口腔医院余文婷博士，通讯作者是山东理工大学郝三伟副教授、北京口腔医院白玉兴教授、张宁教授和北京林业大学杨俊教授，此项研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金和北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金等经费支持。
杨俊教授课题组长期致力于天然高分子基生物电子界面材料的创新设计，实现生理活动信号准确传递、与人体组织紧密贴合和多模态电子器件集成，推动生物质材料在柔性电子材料的广泛应用。近年来以通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Energ. Environ. Sci.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.和ACS Nano等期刊上围绕纤维素和木质素等天然高分子在凝胶材料界面作用及其在柔性传感器应用探索等方面研究发表一系列研究工作。欢迎2026届研究生加入，有意者请联系yangjun11@bjfu.edu.cn，期待与您共同进步！
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522847
