西南交大邓维礼/杨维清教授团队 CEJ：体温触发粘合离子导电水凝胶

2024-09-03 来源：高分子科技

心电图 (ECG)、肌电图 (EMG) 和脑电图 (EEG) 等生物电信号是人体的基本生理指标，为了解生物运动规律和生理紊乱的内在机制提供了宝贵的信息。为确保稳定、精确地记录这些信号，灵活可穿戴和生物兼容的电极至关重要。然而传统商用电极在与人体皮肤接触时存在贴合性差、易引起不适等问题；而现有的柔性生物电极虽然在一定程度上改善了这些问题，但仍存在粘附性不强导致信号采集不稳定等缺陷。近年来，水凝胶因其独特的生物相容性、柔软性以及可调节的机械和电学性质，成为了生物电子领域的理想材料之一。然而，制备具有高韧性、强粘附性和按需脱落的水凝胶仍是一项挑战。

近日，西南交通大学邓维礼副教授和杨维清教授团队开发了一种体温触发的粘附性离子导电水凝胶，该水凝胶基于聚丙烯酰胺(PAAM)、明胶和海藻酸钠(SA)，通过温度敏感的明胶成分，实现了人体温度触发的快速粘附性能。当水凝胶接触人体皮肤时，明胶的三螺旋结构在体温作用下展开，增加了与皮肤表面的接触面积和粘附力；在冷却后，三螺旋结构重新缠绕，减少了与皮肤的粘附，实现了无痛剥离。由于水凝胶模量与皮肤相当，可实现共形贴附，电极-表皮阻抗较低，测得信号的信噪比约为 25 dB，可以高保真地记录各种生物电信号，在生物医学应用方面显示出巨大的潜力。该工作以“Body temperature-triggered adhesive ionic conductive hydrogels for bioelectrical signal monitoring”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上(Chem. Eng. J. 498 (2024) 155195)。

图1.具有温度调节粘附性的 PGS 水凝胶示意图。

离子导电水凝胶是由PAAM、Gelatin和SA组成（图1）。在体温下，明胶的三螺旋结构展开，增加了与皮肤的粘附力；而在冷却后，三螺旋结构重新缠绕，减少了粘附力，实现了与皮肤的无痛剥离。PGS导电水凝胶可以用于人体生物电信号的监测。

图2. PGS 水凝胶的表征和机械性能。

作者对离子导电水凝胶的力学性能进行了一系列测试，如图2所示，随着SA含量从0增加到0.8 wt%，其拉伸应力、断裂伸长率和杨氏模量都有所增加。结果表明通过调节海藻酸钠含量，可以优化水凝胶的力学性能。结果表明 PGS 水凝胶可承受 80% 的高压缩变形而无任何损伤，并且在卸载后可迅速恢复原状。同时，水凝胶在拉伸、弯曲和扭曲后仍能保持原有形状而不会断裂。

图3.体温触发 PGS 水凝胶的机理。

作者随后对水凝胶进行了更系统的粘附性能表征。在人体体温下(37 ℃)，该水凝胶与人体皮肤有较强的粘附能力，通过冰敷，水凝胶可以与皮肤无损伤剥离。同时测试了不同温度下的粘附力。测试表明，PGS水凝胶具有良好的粘附性，这为电子和生物组织之间提供了桥梁。

图4. PGS 水凝胶的导电性能和稳定性。

作者对水凝胶的电学性能进行了测试，结果表明，通过增加LiCl的含量，可以有效提升水凝胶的导电性能，同时PGS水凝胶在一定形变下仍具有稳定的导电性。与商业Ag/AgCl电极相比，PGS水凝胶可以与人体皮肤形成良好的共形贴合以及较低的接触阻抗。

图5.应用 PGS 水凝胶作为肌电电极。

作者用PGS水凝胶表皮电极来记录心电和肌电信号，其性能与商业Ag/AgCl电极相当。实验结果表明，PGS水凝胶电极可以成功采集肌电信号并准确记录心电信号的波形。

研究团队提出的聚丙烯酰胺/明胶/海藻酸钠离子传导水凝胶在监测肌电信号、心电信号等方面表现出良好的性能。所开发的离子导电水凝胶可在体温（37 °C）下与皮肤产生稳定的粘附，冷敷约 10 s 后即可轻松剥离，不会对皮肤造成损伤。该水凝胶具有良好的导电性（5.69 S m^?1）和柔韧性，从而降低了与皮肤的接触阻抗，实现了信噪比为 25 dB 的高质量 sEMG 信号采集。这项研究为设计温度触发水凝胶提供了一个大有可为的机会，在构建可靠的生物界面和高保真生物电信号记录方面显示出巨大的应用潜力。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155195

作者简介：

邓维礼，博士，副教授，硕士生导师，四川省学术和技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）及河滨分校（UCR）访问学者。长期从事纳米功能材料及柔性电子的基础研究，近年来，以第一或通讯作者身份，在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy等国际知名期刊发表学术论文40余篇，包括ESI热点论文1篇，ESI高被引论文7篇，封面论文8篇，论文引用7600余次，相关研究成果获授权发明专利10余件。主持国家自然科学基金NSAF联合基金项目、青年科学基金项目、四川省科技厅重点研发项目、四川省自然科学基金面上项目、中央高校科技创新项目等多项国家及省部级科研项目。指导多项SRTP国创项目，入选教育部主办的全国大学生创新创业年会1次，指导学生参加中国“互联网+”大学生创新创业大赛、 “挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、中美青年创客大赛、全国节能减排社会实践与科技竞赛等国家A类学科竞赛，获全国三等奖5次，四川省一等奖1次、二等奖1次、三等奖3次。指导的研究生多人次获国家奖学金及四川省优秀毕业生等荣誉。

个人主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/dengweili/zh_CN/index.htm

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