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  心血管植入電子設備（CIEDs）面臨高頻電磁干擾和功能集成的雙重挑戰。本研究創新性地開發了一種基于雙網絡離子水凝膠策略的多功能材料（h-CA-PAM-Li⁺），實現了高效電磁屏蔽（EMI SE_T高達63.75 dB） 與自供電生理信號監測的集成。該水凝膠以海藻酸鈉（SA）/Ca²⁺物理交聯網絡和聚丙烯酰胺（PAM）化學交聯網絡構成雙網絡骨架，通過調控Li⁺濃度梯度與水化效應，構建了以離子極化-界面弛豫為核心的吸收主導型屏蔽機制（A>R）。得益于優異離子電導率（最高51.48 S cm^-1），該水凝膠被封裝在PDMS薄膜中制成自供電傳感器，集成無線模塊后可實時捕獲心跳等生理信號，在動態環境中保持高靈敏度和抗干擾能力。這種無傳統導電填料的材料兼具生物相容性、低成本和可設計性，為植入式電子設備的電磁防護與智能監測提供了一種“材料-器件-系統”一體化解決方案。

  近期，華南農業大學胡傳雙教授/林秀儀副教授/徐江濤副教授團隊，以“Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics”為題在《Advanced Science》上發表研究文章。文章第一作者是華南農業大學博士研究生王臣臣。團隊提出“雙網絡離子水凝膠”策略（SA/Ca²⁺ 物理交聯 + AM原位聚合PAM化學交聯），以低成本離子鹽溶液替代傳統填料。通過調控鹽濃度（Li⁺）與水化效應，協同優化離子濃度梯度與遷移通道（CA鏈G-block單元與Li?特異性配位形成定向通道），構建以強離子極化-界面弛豫為主導的高效電磁波吸收機制。利用水凝膠優異離子電導率，設計并制造集成電磁屏蔽與自供電傳感（基于摩擦電效應）功能的柔性電極，實現保護與監測一體化。

圖1. CA-PAM-Li⁺ 和h-CA-PAM-Li⁺水凝膠設計與合成示意圖

  采用海藻酸鈉（SA）與鈣離子（Ca²⁺）交聯形成第一網絡；同時，丙烯酰胺（AM）單體在引發劑過硫酸銨（APS）和交聯劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA）的作用下進行原位聚合，形成聚丙烯酰胺（PAM）第二網絡，從而構建出雙網絡結構。引入鋰離子（Li⁺）使其與海藻酸鏈上的G嵌段單元（G-block）發生特異性配位作用，形成定向的離子傳輸通道。 最后， 通過水化處理進一步優化離子遷移路徑并增強界面弛豫效應。

圖2. (a) LiCl、(b) H₂O 和 (c) LiCl-H₂O 的表面靜電勢，(d)、(e) 離子水凝膠系統中的離子導電路徑。

  DFT計算結果表明，Li⁺與水分子間的距離（0.189 nm）顯著短于Cl^-與H原子間的距離（0.253 nm），證實了Li⁺-H₂O相互作用更強，這有利于電荷轉移過程。在水凝膠體系中，表面豐富的親水基團（-OH, -COOH, -NH₂）通過氫鍵有效固定水分子，形成連續的三維（3D）自由體積網絡，從而構建了多尺度的離子遷移通道。其中，G-block單元與Li⁺的特異性配位進一步促進了離子的定向傳輸。同時，聚丙烯酰胺（PAM）鏈上的氨基通過氫鍵網絡形成了富集水合Li⁺的局部微環境，有效降低了Li⁺脫溶劑化過程的能壘。此外，水化處理增強了LiCl-H₂O體系表面靜電勢分布的復雜性和非均勻性，有利于提升偶極極化損耗。

圖3. (a, b) 不同 Li⁺ 濃度的 CA-PAM-Li⁺水凝膠在X波段的電磁干擾屏蔽性能，(c) 傳導性，(d) 衰減常數，(e) 阻抗匹配，(f) SE_A/SE_T。

  Li⁺ 濃度對CA-PAM- Li⁺水凝膠的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE_T）具有顯著影響，其SE_T值隨Li⁺濃度的增加而提高，其中1.0 M樣品（CA-PAM-Li⁺-1.0）展現出最優性能，達30.29 dB。這主要歸因于高電導率增強了材料與電磁波（EMW）的相互作用。然而，電導率并非唯一決定因素，因為電導率最高的2.0 M樣品（CA-PAM-Li⁺-2.0）其SE_T并非最優。性能最優的1.0 M樣品關鍵在于其優異的綜合電磁性能：高衰減常數(α)表明材料內部具有更強的電磁波損耗能力，允許更多EMW進入并被有效耗散；阻抗匹配值(Z)在0.4-0.9之間（接近1為最佳），配合適中的電導率，顯著提高了EMW進入材料內部的概率，減少了表面反射；同時，SEM觀察揭示該樣品具有獨特的蜂窩狀微觀結構，這種結構增加了EMW在材料內部的傳播路徑和多重反射/散射機會，進一步促進了能量耗散。最終，1.0 M樣品的吸收效能（SE_A）貢獻了總SE_T的93.49%，其吸收系數(A=0.63)顯著高于反射系數(R=0.3)，明確證實其屏蔽機制以吸收主導為核心。

圖4. (a) 導電性，(b, c) 不同Li⁺濃度的h-CA-PAM-Li⁺水凝膠在X波段的電磁干擾屏蔽性能，(d) h-CA-PAM-Li⁺-1.0和CA-PAM-Li⁺-1.0性能比較，(e) 阻抗匹配，(f) 衰減常數，(g)水凝膠放置不同時間的實物圖片，(h, i) h-CA-PAM-Li⁺水凝膠放置不同時間的電磁干擾屏蔽性能。

  經水合處理后，h-CA-PAM-Li⁺系列水凝膠的電導率和電磁干擾屏蔽總效能（EMI SET）均獲得顯著提升。其中，h-CA-PAM- Li⁺-1.0的平均SET高達63.75 dB，相較于未水合的CA-PAM-Li?-1.0提升了110.4%，其吸收效能（SEA）達到60 dB左右（占總SET的93%以上），對應的屏蔽效率(SE)超過99.9999%。性能的提升主要源于以下機制的協同增強： 水化作用顯著提高了離子電導率，從而增強了傳導損耗；體系中引入的更多水分子大幅提升了極化損耗能力（體現為高介電常數，且水分子通過氫鍵網絡增加了極化界面）；同時，優化后的阻抗匹配（Z值在0.6-1.0之間）使得更多電磁波（EMW）能夠進入材料內部被吸收，而非在表面反射；此外，材料的衰減常數(α)也得到顯著提高，進一步強化了其內部損耗EMW的能力。值得注意的是，該材料展現出良好的穩定性與可恢復性。 盡管放置15天后因水分蒸發導致SET降至44.67 dB，但通過簡單的重新水合處理即可有效恢復性能（例如30天后重新水合，其SET仍可恢復至43.62 dB）。這種優異的性能維持能力得益于體系中LiCl固有的高吸濕性，有助于材料在環境中的水分保持。

圖5. (a) SE_A/SE_T，(b) h-CA-PAM-Li⁺-1.0水凝膠的屏蔽效率，(c)功率系數，(d) EMI屏蔽水凝膠的性能對比圖，(e) EMI 屏蔽水凝膠的實際應用，(f) h-CA-PAM-Li⁺水凝膠的 EMI 屏蔽機理圖

  h-CA-PAM-Li⁺-1.0水凝膠展現超高效吸收主導型電磁屏蔽特性，其吸收效能占比（SE_A/SE_T）>95%，總屏蔽效能（SE_T）達63.75 dB（SE>99.9999%），且吸收-反射系數比（A/R）>1.25。在同等厚度下，該材料的SE_T與A/R值顯著優于近期報道的水凝膠/有機凝膠體系。實際應用中，該材料成功將筆記本電腦輻射場強（61 V/m, 0.61 μT）實時抑制至安全閾值（<40 V/m, <0.4 μT）。其卓越性能源于三重協同損耗機制。離子電導網絡（Li⁺提升電導率，強化傳導損耗）、極化增強體系（水分子通過氫鍵網絡提升偶極/界面極化能力，異質界面（PAM/CA/H₂O/Li⁺）優化界面極化）及結構耗散路徑（多重反射/散射）。

圖6. (a) h-CA-PAM-Li⁺水凝膠的優勢和靈活的傳感應用，(b)拍手，(c)手指敲擊，(e，f)平靜和運動時的心跳監測。

  以PDMS薄膜封裝的h-CA-PAM-Li⁺水凝膠作為電極，構建了基于摩擦電效應和靜電感應的單電極模式自供電傳感器，通過接觸-分離運動將機械能直接轉化為電信號。該器件在動態響應測試中展現出高靈敏度與快速響應特性。手掌拍打和手指敲擊產生的信號幅度與作用力呈正相關，且能清晰區分接觸面積和頻率變化；同時可穩定感知10g至100g靜態壓力梯度。在生理監測應用中，貼附于人體胸部時可實時捕獲高信噪比心跳信號（平靜狀態下呈典型正弦波形），特別在運動狀態下，通過自適應濾波算法仍能有效提取加速心率特征，驗證了其在動態環境中的抗干擾能力。

  本研究通過材料設計-機制調控-器件集成策略，成功開發出兼具高效電磁吸收與自供電傳感功能的雙網絡離子水凝膠（h-CA-PAM-Li⁺），為植入式電子設備的電磁兼容性問題提供突破性解決方案。該工作為設計集電磁防護、能量收集與生物傳感于一體的先進功能材料提供范式，在可穿戴醫療電子及健康監測領域具廣闊應用前景。

  【原文信息】

  C. Wang, Y. Ding, T. Wu, Z. Li, C. Hu, Z. Wang, Y. Zhou, X. Lin, W. Zhang, J. Xu, Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics. Adv. Sci. 2025, e09115.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202509115