對下一代可穿戴設備應用中高精度表皮壓力感知的日益追求，使電子皮膚成為精準醫療和人機交互的重要仿生平臺。傳統的表皮壓力傳感器受到界面分層和機械不匹配的嚴重限制，在動態條件下會影響長期監測的準確性。
圖1原位粘附水凝膠界面的設計、形成、集成和應用示意圖。
針對上述問題，北京林業大學楊俊教授與北京口腔醫院白玉興教授等人利用原位黏附生物凝膠策略（IAB），以液態溶膠狀態接觸皮膚、球拍柄等目標表面，經溫度調節完成原位凝膠化，實現與不規則基底實現無間隙貼合，從源頭解決界面空隙與移位問題（圖1）。IAB以甘油/水二元溶劑為基質，兼顧流動性與長期穩定性；整合明膠、磺化木質素（LS）、MXene、抗壞血酸（AA）四種核心成分，實現強黏附、高導電、抗氧化和類皮膚機械性能四大特性。
通過紅外熱成像和流變測試發現，IAB在20.4-50.7 oC之間能實現“加熱變液態、冷卻成凝膠”的可逆變化，這種轉換主要靠明膠的氫鍵作用實現，而且加入磺化木質素后，凝膠狀態更穩定，更適合在目標表面現場成型；借助紅外光譜測試證實，木質素會通過氫鍵和靜電作用與MXene結合，讓材料內部結合更緊密；另外，添加抗壞血酸（AA）能讓MXene層間距變大，還能減少其氧化，保證材料性能穩定（圖2）。整體來看，IAB的熱可逆溶膠-凝膠特性，使其能在目標表面完成原位凝膠化過程，達到優異的粘附性和穩定性。
圖2 IAB原位膠凝及抗氧化穩定性的結構表征及機理研究。
通過力學測試探究木質素含量對IAB機械性能的影響（圖3），發現隨木質素含量優化，IAB的斷裂應力與應變顯著提升，且展現出缺口不敏感特性，經多循環拉伸、壓縮后仍保持結構完整與力學穩定性，同時具備優異的拉伸、彎曲、扭轉等形變耐受性；借助熱循環與長期暴露實驗，結合阻抗監測，證實添加抗壞血酸（AA）的IAB能有效抑制 MXene氧化，在多次熱循環與長期放置后阻抗變化小，抗氧化穩定性突出；通過性能對比可見，與純明膠水凝膠相比，IAB在機械韌性、導電性能與穩定性上均有顯著提升，其協同增強效應為動態傳感應用提供可靠保障。
圖3卓越的機械魯棒性和抗氧化穩定性。
通過界面觀測與對比實驗，證實原位黏附生物凝膠（IAB）可在豬皮、弧形/錐形等不規則基底表面實現無縫貼合，無界面空隙；而非原位水凝膠（EB）因預制結構限制，易出現界面剝離與空隙，且IAB在皮膚動態壓縮、扭轉過程中仍能保持穩定黏附，EB 則易發生邊緣翹起（圖4）。借助黏附性能測試，發現IAB對紙張、塑料、金屬、豬皮等多種基材均具備高黏附強度，且經多次黏附循環后性能衰減微弱，長期反復貼合皮膚仍能保留 60% 以上初始黏附力，同時在汗液、水流環境下黏附穩定性優異。通過細胞毒性實驗、皮下植入實驗及水蒸氣透過率測試驗證，IAB具有良好生物相容性，對細胞增殖無抑制作用，植入后無明顯炎癥反應，且水蒸氣透過率遠高于人體皮膚，可避免佩戴時皮膚不適，為長期表皮應用提供生物安全性保障。
圖4 IAB的原位組織粘附和生物相容性。
通過阻抗測試與性能表征，明確原位黏附生物凝膠（IAB）基壓阻傳感器的核心工作機制（圖5）：外力作用下IAB形變促使內部離子遷移，增加導電通路接觸位點，實現電阻動態變化。該傳感器檢測范圍覆蓋10 Pa至50 kPa，低壓力區間與高壓力區間分別呈現對應靈敏度，可精準捕捉從輕微觸碰至劇烈運動的壓力信號；響應時間與恢復時間分別低至30 ms、40 ms，遠超人體皮膚感知速度，且在高壓力基底上仍能識別100 Pa的細微壓力增量，壓力分辨率優異。經穩定性測試驗證，傳感器在10000次循環壓縮后信號無明顯衰減，持續承受恒定壓力4小時仍保持穩定輸出，無基線漂移，信號穩定性遠高于傳統非原位凝膠（EB）基傳感器。基于IAB構建的 4×4 壓阻傳感器陣列，通過圖案化電極設計實現均勻電流分布，可精準還原字母圖案的壓力輪廓，且在單點、多點壓力刺激下能清晰呈現壓力分布熱力圖，無信號串擾，具備優異的空間壓力映射能力，為動態多區域壓力監測提供支撐。
圖5 基于IAB的電阻式動態多點壓力傳感器的設計與性能評價。
基于IAB構建的壓阻傳感器及4×4傳感陣列，檢測范圍覆蓋10 Pa至50 kPa，響應速度快（30 ms）、循環穩定性強（10000 次無衰減），且能精準實現空間壓力映射。將其集成于智能羽毛球拍并結合CNN-LSTM-Attention 算法，對四種擊球姿勢識別準確率達 93.75%，驗證了實用價值（圖6）。該研究為下一代表皮電子設備提供新型生物界面方案，有望拓展至智能體育、精準醫療、人機交互等多領域，同時為解決動態場景下傳感適配性與穩定性問題提供新思路。
圖6 智能羽毛球運動檢測的機器學習集成
該研究以“Mechanically Compliant and Stable Hydrogel Interfaces for Long-Term Dynamic Pressure Detection Toward Intelligent Sports Training”為題發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，文章第一作者是北京林業大學博士研究生朱弘楠和北京口腔醫院余文婷博士，通訊作者是山東理工大學郝三偉副教授、北京口腔醫院白玉興教授、張寧教授和北京林業大學楊俊教授，此項研究得到了中央高校基本科研業務費專項資金和北京市自然科學基金-海淀原始創新聯合基金等經費支持。
楊俊教授課題組長期致力于天然高分子基生物電子界面材料的創新設計，實現生理活動信號準確傳遞、與人體組織緊密貼合和多模態電子器件集成，推動生物質材料在柔性電子材料的廣泛應用。近年來以通訊作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Energ. Environ. Sci.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.和ACS Nano等期刊上圍繞纖維素和木質素等天然高分子在凝膠材料界面作用及其在柔性傳感器應用探索等方面研究發表一系列研究工作。歡迎2026屆研究生加入，有意者請聯系yangjun11@bjfu.edu.cn，期待與您共同進步！
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522847
