廣東以色列理工學院王燕團隊 Sci. Adv.：10微米厚超薄韌透氣水凝膠電子皮膚傳感器實現日常穿戴長期連續人體健康監測
皮膚生物電子的長時連續人體健康監測功能為及時疾病預防、篩查、診斷和治療提供了有效途徑，對于個性化健康醫療具有重要意義。水凝膠作為一類含有高水分的交聯聚合物，由于其與生物組織的相似性以及在電學、力學和生物功能工程方面的多樣性，已經在皮膚生物電子領域引起了廣泛關注。水凝膠皮膚生物電子器件在健康相關應用領域表現出巨大潛力，如生物信號檢測、人機界面、精準治療等。然而，制備超薄、透氣、能夠自粘附于人體皮膚并適合長期日常使用 (>1 周) 的水凝膠傳感器仍具挑戰。
這些傳感器不僅需要超薄、具有氣體透過性，還需要具備良好皮膚粘附性、機械魯棒性，并且能夠抗失水。首先，制備具有高氣體透過性、皮膚粘附性和機械魯棒性的微米級厚度水凝膠非常困難。由于制備技術和操作方面的挑戰，超薄透氣和自粘附型水凝膠非常少。此外，微米級厚度水凝膠由于犧牲了機械強度，通常容易受到機械損壞。要想改善水凝膠機械性能，通常會導致器件厚度增大，嚴重限制透氣性能，其厚重外形尺寸還可能引起機械或感覺干擾。此外，另一個不可忽視的問題是水凝膠固有的易失水特性，該特性會導致在長時間監測過程中信號惡化。值得注意的是，較薄的水凝膠由于較高的表面積與體積比會使器件干燥速度加快。
近日，廣東以色列理工學院王燕、東京大學Takao Someya、中國石油大學(北京)王春雅教授課題組研發了一種 10 微米厚的納米網格增強型透氣水凝膠皮膚傳感器，它能在人體日常生活條件下自粘附于人體皮膚，并實現連續8天高質量電生理信號監測。本研究包括兩個關鍵步驟：首先，設計明膠熱敏相變水凝膠材料；其次，通過納米網格增強結構實現超薄韌特性。由此得到水凝膠皮膚電極厚度低至10 微米，并表現出優異機械魯棒性、皮膚粘附性、透氣性和抗失水性能。為了展現其在疾病早期發現及治療方面的應用，我們展示了該水凝膠電極對人體心電圖、肌電圖、運動傳導速度、眼電圖、腦電圖、聽覺腦干反應、視覺誘發電位等信號的高保真長期連續監測。該工作以“A 10-micrometer-thick nanomesh-reinforced gas-permeable hydrogel skin sensor for long-term electrophysiological monitoring”為題發表在《Science Advances》上（https://doi.org/10.1126/sciadv.adj5389）。論文的第一作者是博士生章宗漫。該研究得到國自然、廣東省科技廳和李嘉誠基金會等項目支持。
圖1. 用于長期連續電生理監測的10微米厚的納米網格增強型透氣水凝膠皮膚傳感器。(A) PU納米網格增強水凝膠設計示意圖。(B)超薄水凝膠用于長期連續電生理信號監測，如心電圖、肌電圖、運動傳導速度、眼電圖、腦電圖、聽覺腦干反應和視覺誘發電位。(C) 超薄水凝膠附著在陽極氧化鋁基板上的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。刻度尺，10微米。(D) 機械魯棒性：超薄水凝膠支撐大量水分。拉伸應力(σ)：σ=Pr/2t。其中P、r和t分別為水的壓力、曲率半徑和超薄水凝膠的厚度。刻度尺，1厘米。(E) 超薄水凝膠從人體皮膚上剝離的照片，顯示出良好的附著性和高彈性。刻度尺，1厘米。
圖2. 熱響應相變水凝膠材料和超薄水凝膠的表征。(A) 在高溫（55℃）和室溫（25℃）下拍攝的水凝膠照片和紅外攝像機圖像，說明它們溫度依賴的相變特性。刻度尺，1厘米。(B) 不同配方的水凝膠溶液在從75℃到10℃的溫度掃描中的流變特性，顯示它們在粘性液態和彈性凝膠態之間的轉變。(C) 從（B）計算得到的相應tanδ (G″/G′)。(D) 不同配方的水凝膠和超薄水凝膠的傅立葉變換紅外光譜（FTIR）。(E) GGBWNa和PU0.3-GGBWNa的光學透射率，插圖展示了超薄水凝膠與綠葉緊密貼合。刻度尺，1厘米。(F) 凍干超薄水凝膠內部結構的掃描電子顯微鏡圖像。刻度尺，5微米。(G) 未覆蓋的瓶子、覆蓋有1000微米厚PDMS薄膜的瓶子和覆蓋有約10微米厚超薄水凝膠的瓶子的水蒸氣透過率比較。(H) 在室溫環境下，超薄水凝膠的抗失水性能持續21天。(I) 水凝膠和PU納米網格增強水凝膠的厚度比較。誤差條表示測量值的標準偏差（SD）（n = 3）。
圖3. PU納米網格增強水凝膠的力學和粘附特性。(A) PU納米網格、水凝膠和PU納米網格增強水凝膠的拉伸應力曲線。(B) 從（A）計算得到的PU納米網格增強水凝膠的楊氏模量和韌度比較。(C) 在100%應變下，超薄水凝膠的循環拉伸/回復曲線。(D) 照片展示了在粘附分離實驗中超薄水凝膠從人工皮膚上剝離的過程。刻度尺，1厘米。(E) PU納米網格增強水凝膠的力程曲線。(F) PU納米網格增強水凝膠在人工皮膚上的面積粘附能和分離行程比較。(G) 顯微鏡圖像顯示了超薄水凝膠無縫附著在人體皮膚上。刻度尺，1厘米。(H) 超薄水凝膠在200次附著/分離粘附循環期間的標準化粘附能。誤差條表示測量值的標準偏差（SD）（n = 3）。
圖4. 超薄透氣水凝膠傳感器在日常生活條件下進行長期連續高保真心電信息（ECG）監測。(A) 商用凝膠和超薄水凝膠的皮膚-電極接觸阻抗分析。(B) 超薄水凝膠附著在受試者胸部用于測量ECG信號的示意圖。(C) 靜坐狀態下商用凝膠（上圖）和超薄水凝膠（下圖）記錄的ECG信號。(D) 超薄水凝膠在第1天上午11點到晚上11點期間監測各種正常日常活動的ECG信號監測（上圖）和心率結果（下圖）。插圖顯示了放大的數據段。(E) 第2天到第7天的ECG信號監測，插圖顯示了放大的數據段。(F) 超薄水凝膠在第8天下午2點到第2天上午2點期間監測各種正常日常活動的ECG信號監測（上圖）和心率結果（下圖），單位為任意單位（a.u.）。
圖5. 超薄透氣水凝膠傳感器進行的其他長期高保真電生理監測。(A) 測量MCV信號的實驗設置示意圖。(B) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的MCV信號。(C) 測量EOG信號的實驗設置示意圖。(D) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的EOG信號。(E) 測量EEG信號的實驗設置示意圖。(F) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的EEG alpha節律。(G) 從(F)獲取的EEG信號的功率譜密度。(H) 測量ABR信號的實驗設置示意圖。(I) 商用凝膠和水凝膠記錄的ABR波形。(J) 測量VEP信號的實驗設置示意圖。(K) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的VEP信號。所有提到的生理信號在連續佩戴24小時期間進行監測，單位為任意單位（a.u.）。
由于超薄結構、優異的機械性能、透氣性、自粘附性和抗失水能力等關鍵特性的協同作用，該水凝膠傳感器可實現在日常生活條件下連保持長期高保真生理電信號監測。超薄結構是通過在高溫(55-75°C)下將電紡納米網格浸入稀釋的明膠水凝膠溶液中，然后在生理溫度下實現凝膠化。納米網格極大提高了超薄水凝膠的機械魯棒性。透氣性歸因于水凝膠的超薄和多孔結構特質。此外，超薄結構也有助于其自粘附性，以及在水凝膠-皮膚界面形成的強且可逆的化學和物理鍵。此外，通過引入甘油/水二元溶劑和水合鹽實現了其抗失水能力。
這項工作標志著水凝膠皮膚傳感器從厚重缺乏透氣性的外形尺寸特征演化到透氣薄韌。然而，為了適應極端環境，如極端溫度、濕度、機械損傷以及酸性/堿性環境等，需要先進材料開發，以同時獲得特定適應性屬性，實現長期連續的人體關鍵生理信號監測應用。此外，在數字健康領域以及人體/腦機接口中，還需整合人工智能，以實現精準診斷、治療及控制。這項工作為面向長時連續人體健康監測水凝膠皮膚生物電子的未來發展提供了新的材料和結構途徑，代表了邁向非侵入式個性化醫療保健的重要一步。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5389
