离子导电凝胶材料由于其优异的柔韧性、拉伸性和界面顺应性，是可穿戴设备最理想的材料之一，尤其是在运动感知和生理信号监测等领域。然而，离子导电凝胶材料的水下应用却仍有挑战：(1) 水下环境中，粘合材料与基材的界面会形成水合层，阻碍有效的分子粘附行为，导致粘合强度降低；(2)凝胶材料在水环境中易溶胀，导致内聚力减弱，结构被破坏，从而使凝胶电极的力学性能和导电性急剧下降。因此，赋予离子导电凝胶材料良好的水下粘附性和抗溶胀能力，对于离子导电凝胶材料在水下的长期稳定使用、水下生物电监测具有重要意义。

  为此，东华大学张青红教授/侯成义副教授团队以疏水性丙烯酸酯和亲水性丙烯酸为单体，通过添加胆碱基生物离子液体和单宁酸，制备了防水凝胶电极。水下环境中，溶剂交换引起的疏水聚集，有效延缓了基材表面的水合作用。同时，基材表面的氢键与单宁酸中的酚羟基发生物理相互作用，从而实现优异的水下附着力。此外，丙烯酸酯的疏水性扩散屏障，抑制了水溶液的进入和导电离子扩散到水环境中，并且长链胆碱基生物离子液体也协同防止导电离子扩散到水环境中。因此，制备的凝胶电极显示出持久的水下粘附性、导电性和抗溶胀性。研究人员对其作为可穿戴水下生物电极的性能进行了详细研究，发现该凝胶电极在平静或运动水下状态下均可稳定准确监测生物电信号，并且表现出极低的界面阻抗和噪声。同时产生的数字信号可以通过蓝牙设备传输到计算机，实现无线的生物电实时监测。因此，本工作所构筑的离子凝胶电极在长期水下生物电监测方面显示出重要的应用潜力。

图1 (a)水下凝胶电极的制备过程；(b)超景深显微镜图像显示水下环境中猪皮表面和商业凝胶电极之间的界面处有许多间隙；(c)超景深显微镜图像显示在水下环境中猪皮表面与 BACT 凝胶之间的界面几乎没有间隙；(d)BACT凝胶在水中浸泡不同时间和商用凝胶在水中浸泡5分钟的表皮界面阻抗；(e)BACT凝胶在水下环境中用于生物电监测（ECG、EMG）的示意图。 

图2 (a) BACT 凝胶的水下粘附机理；(b) 在去离子水中浸泡不同时间时，BACT凝胶对猪皮的剪切粘合强度；(c) BACT凝胶在水下环境中对不同材料（硅胶、PETF、赛璐珞和 HIPS）的粘附照片； (d) BACT 凝胶对不同材料的水下粘附性；(e) BACT 凝胶在不同溶液中浸泡 6 小时后对猪皮的粘性 (f) 90°剥离试验示意图；(g) BACT 凝胶对不同基材的水下剥离粘附力；(h) 商用凝胶电极和BACT凝胶电极粘附在猪皮上以防止水渗透的示意图。 

图3 (a) 图片显示了不同凝胶在12 小时后的溶胀度；(b) 商业凝胶和 BACT 凝胶在去离子水中的溶胀曲线；(c) BACT凝胶在不同溶液中的溶胀行为，包括水、体液、海水、PBS缓冲溶液、酸性溶液（pH=5）和碱性溶液（pH=9）；(d) BACT 凝胶在去离子水中浸泡不同时间的机械性能；(e) BACT 凝胶在去离子水中浸泡 15 天后的拉伸性能；(f) BACT 凝胶在不同溶液中浸泡 1 天后的机械性能；(g) BACT 凝胶和商用凝胶在去离子水中浸泡不同时间的离子电导率； (h) BACT凝胶在水下环境应变为50%的循环稳定性测试（循环次数350次）； (i) BACT 凝胶与其他不同水下凝胶传感器的性能对比图。

图4 (a) 使用 BACT 凝胶电极对 ECG 信号进行长期水下监测；(b) BACT 凝胶电极在水中不同的浸没时间产生的 RMS 噪声；(c) BACT凝胶电极和商用凝胶电极在平静水下环境中的心电信号监测；(d) BACT凝胶电极（水下环境）、商用凝胶电极（水下环境）和其他生物电极（大气环境）的信噪比（SNR）和弹性模量的比较；(e) BACT凝胶电极在水下环境手腕运动过程中记录的心电图信号；(f) 不同磅数的手指训练器在水下环境中产生的肌电信号；(g) 不同磅数的手指训练器产生的 EMG 信号强度。 

  研究结果近期以“Water-resistant and underwater adhesive ion-conducting gel for motion-robust bioelectric monitoring”，发表在Chem. Engineer. J, 2022, 431, 134012。论文第一作者为东华大学博士生孙川越，共同通讯作者为张青红教授、侯成义副教授，研究得到了国家重点研发计划（2016YFA0201702）、中央高校基本科研业务费等项目支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134012

  作者提供的有限期免费下载:https://authors.elsevier.com/c/1eGI44x7R2Ysnm