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  長久以來，水下生物信號監(jiān)測一直是科學(xué)家們面臨的重大挑戰(zhàn)——無論是游泳者的心率追蹤、溺水救援的緊急生命體征監(jiān)測，還是海洋生物的行為研究，都需要傳感器能在潮濕環(huán)境下快速、穩(wěn)固的監(jiān)測且不能傷害生物體。傳統(tǒng)的水下監(jiān)測方式主要依賴剛性機械固定或手術(shù)縫合，不僅限制了生物體的自由活動，還可能造成組織損傷。而現(xiàn)有的表皮粘附傳感設(shè)備又面臨著粘附響應(yīng)時間長、濕潤環(huán)境下粘附力弱以及難以規(guī)模化生產(chǎn)等關(guān)鍵問題。

  近日，浙江大學(xué)運動科學(xué)與健康工程研究所所長彭玉鑫與高分子系許震、明鑫合作團隊，在國際知名綜合性期刊《Advanced Science》（IF：14.1）發(fā)表了一項重要研究——“Underwater Instant Adhesive Hydrogel Interfaces for Robust Biosensing on Diverse Species”（水下即時粘附水凝膠界面用于多物種的穩(wěn)健生物傳感）。本研究通過分子纏結(jié)工程策略（MEES），開發(fā)了一種具有即時水下粘附能力的水凝膠界面（PAMP水凝膠），為解決這一系列難題提供了創(chuàng)新方案。

  研究團隊將超高分子量聚環(huán)氧乙烷(UHMW-PEO)與傳統(tǒng)聚丙烯酰胺（PAM）相結(jié)合，通過高分子纏結(jié)機制優(yōu)化水傳輸通道，顯著提高了水凝膠的溶脹動力學(xué)，實現(xiàn)了即時瞬態(tài)粘附；并通過PET基板上的刮涂和離子交聯(lián)，實現(xiàn)了PAMP干凝膠的連續(xù)生產(chǎn)。這種標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝為工業(yè)實際產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的提供了可能。PAMP水凝膠具有三大突破性特點：（1）超快速水下粘附：僅需10秒即可形成強力粘附；（2）卓越的界面韌性：界面韌性超過230 J·m?2，剪切強度達53 kPa；（3）組織般柔軟：楊氏模量為109 kPa，與人體組織高度兼容。

圖1 PAMP水凝膠的關(guān)鍵優(yōu)勢（強粘附、生物相容、柔性）、制備流程（刮涂、交聯(lián)、干燥）、以及其即時瞬態(tài)水下粘附（10秒內(nèi)）示意圖。闡釋了水凝膠如何通過快速溶脹和多重界面相互作用機制（氫鍵、共價鍵、配位鍵、纏結(jié)）實現(xiàn)快速強力的水下粘附。

  為了確保 PAMP 水凝膠能應(yīng)對復(fù)雜水下環(huán)境，團隊從實驗室到實際場景做了多輪嚴(yán)苛測試，結(jié)果令人驚喜：（1）多基底適配：在豬皮、織物、乳膠、PET 等 6 種常見基底上，PAMP 水凝膠的界面韌性均超 190 J/m2，其中對紙張、織物的黏附力最強（界面韌性超 400 J/m2）。即便是模擬深海 4 bar hydrostatic pressure（約 40 米水深）環(huán)境，黏附性能仍能保留 95% 以上，為深海生物監(jiān)測提供可能。（2）長期穩(wěn)定、重復(fù)用、耐儲存：循環(huán)黏附 9 次后，界面韌性仍超 180 J/m2，剪切強度超 49 kPa；室溫儲存 14 天，黏附性能無明顯下降，解決了傳統(tǒng)水凝膠易降解的問題；生物相容性測試顯示，NIH3T3 細胞在 PAMP 水凝膠浸提液中培養(yǎng) 72 小時，存活率與對照組無差異，細胞形態(tài)完好。（3） 卷對卷量產(chǎn)：團隊還開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化卷對卷制備工藝，將 PAMP 前驅(qū)體溶液在 PET 基底上刮涂，經(jīng) Ca2?交聯(lián)、60℃干燥后，即可連續(xù)制備出大面積 PAMP 干凝膠，為實際產(chǎn)品轉(zhuǎn)化提供了保障。

應(yīng)用場景（一）：人體水下運動監(jiān)測

  研究團隊開發(fā)了一款柔性多模態(tài)生物傳感貼片，集成心電、溫度、運動和呼吸監(jiān)測功能，通過PAMP水凝膠快速粘貼于游泳者胸部，實現(xiàn)了在游泳過程中心率、呼吸、體溫和水下姿態(tài)的同步采集與分析。實驗顯示，該貼片在動態(tài)水下環(huán)境中仍能保持高信噪比，信號穩(wěn)定可靠，適用于長期監(jiān)測。

圖2 多模態(tài)傳感器（ECG, IMU, 溫度）的柔性貼片設(shè)計、佩戴位置，以及在游泳測試中采集到的生理信號（心率、呼吸、體溫、姿態(tài)）。證明了基于PAMP水凝膠的傳感器能在水下運動環(huán)境中實現(xiàn)快速部署和長期、穩(wěn)定、多參數(shù)的生理信號監(jiān)測

應(yīng)用場景（二）：水下生物行為追蹤

  水下生物研究中，傳統(tǒng)追蹤方式（如縫合標(biāo)簽、剛性植入）會導(dǎo)致皮膚損傷、感染風(fēng)險，甚至改變生物自然行為，而 PAMP 水凝膠的類組織柔軟性與生物相容性，為跨物種監(jiān)測提供了“溫柔解決方案”。本研究匯總，PAMP水凝膠實現(xiàn)了傳感器的即時、無創(chuàng)附著，為水生動物保護研究帶來革命性變化。研究團隊成功將該技術(shù)應(yīng)用于，黑魚、鯛魚等水生魚類以及螃蟹、烏龜等兩棲生物，并在杭州西湖將傳感器附著在一只鯰魚上，進行了超過30分鐘的連續(xù)高分辨率水下運動軌跡追蹤。

圖3 將傳感器成功附著在多種水生及兩棲動物（黑魚、鯛魚、螃蟹、烏龜）身上，并詳細記錄了在鯰魚身上進行野外實地釋放和軌跡追蹤。驗證了PAMP水凝膠能實現(xiàn)無創(chuàng)、快速的生物傳感器附著，適用于多種不同物種，為水下動物遷移研究和保護提供了新的技術(shù)手段。

結(jié)語：開創(chuàng)水下生物傳感新紀(jì)元

  這項研究通過分子纏結(jié)工程策略，成功研發(fā)出 PAMP 水下即時黏附水凝膠，突破傳統(tǒng)水下生物傳感技術(shù)粘附慢、界面弱、難量產(chǎn)等核心瓶頸。該水凝膠 10 秒內(nèi)實現(xiàn)水下強黏附，界面韌性超 230 J/m2，兼具類組織柔軟性（楊氏模量≈109 kPa）與生物相容性，可通過卷對卷工藝規(guī)模化生產(chǎn)。其在人體游泳運動多參數(shù)監(jiān)測與水生、兩棲生物無損傷行為追蹤中表現(xiàn)優(yōu)異，為水下健康監(jiān)測、野生動物保護提供創(chuàng)新方案。這項研究不僅建立了即時黏附水凝膠的分子設(shè)計框架，更推動了跨物種水下生物傳感技術(shù)的實用化進程，為極端環(huán)境下智能材料的研發(fā)與應(yīng)用奠定重要基礎(chǔ)。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202510702