一种约10微米厚的聚氨酯纳米网增强透气水凝胶传感器
大家好！今天来了解一项一种约10微米厚的聚氨酯纳米网增强透气水凝胶传感器的研究。在健康监测领域，我们一直寻求更优的解决方案。以往的水凝胶传感器存在诸多局限，难以满足长期日常使用需求。而现在，研究人员成功研发出一种 10 微米厚的纳米网增强透气水凝胶皮肤传感器。它能自我粘附于皮肤，连续 8 天高质量监测电生理信号，在疾病早期检测和治疗方面极具潜力，让我们一同深入了解它的神奇之处。
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一、研究背景与目的
皮肤生物电子学对于长期、连续健康监测在个性化医疗中具有重要意义，能够为疾病预防、筛查、诊断和治疗提供有力支持。水凝胶因与生物组织相似且在电气、机械和生物功能工程方面具有多功能性，在皮肤生物电子学中备受关注。然而，现有水凝胶生物电子学面临诸多挑战，如容易脱水、机械强度低、透气性差等。为确保可靠、长期、连续的健康监测，水凝胶需要克服这些问题。但此前，能够在日常生活条件下长期（>1周）连续健康监测的水凝胶皮肤生物电子学尚未见报道。本研究旨在开发一种约10微米厚的聚氨酯纳米网增强透气水凝胶传感器，实现自我粘附于人体皮肤并连续高质量监测电生理信号达8天。
二、研究成果
（一）水凝胶设计与表征
1、材料与结构设计
以明胶为主要基质，利用其基于温度的热响应相变特性，在高温（55°C至75°C）下将电纺聚氨酯纳米网（密度为0.3mg/cm²）浸入稀释的明胶水凝胶溶液中，然后在生理温度或环境温度下凝胶化，实现超薄增强水凝胶结构。通过这种方式制备的超薄水凝胶厚度约为10微米，如扫描电子显微镜（SEM）图像，其粘附在阳极氧化铝膜（anodisc）基底上的厚度为10.3微米。这种超薄结构能够显著提高皮肤顺应性，促进皮肤下气体/蒸汽快速扩散。
以硼砂为交联剂，与明胶和甘油反应形成交联网络结构，调节水凝胶的转变温度；引入甘油/水二元溶剂提高抗干燥性能，同时研究了不同成分含量对水凝胶性能的影响，如不同硼砂含量对水凝胶拉伸性的影响，含1.5g硼砂的水凝胶拉伸性最高达606%应变。
2、性能测试与分析
相变特性：通过在高温（55°C）和室温（25°C）下拍摄照片和红外相机图像，证实水凝胶在55°C时转变为液态，25°C时转变为凝胶态。流变实验进一步表明，随着温度降低，水凝胶的储能模量G'和损耗模量G''逐渐增加，在约37.0°C（GGWNa水凝胶）和41.0°C（GGBWNa水凝胶）时，tanδ（G''/G'）降至小于1，发生从粘性液体到粘弹性凝胶状态的转变，且GGBWNa水凝胶较高的转变温度对应于硼砂诱导的更高交联密度，更适合皮肤应用。
光学与微观结构特性：开发的超薄水凝胶在550nm波长处具有87%的高透光率，其插入照片显示了在绿叶上的高透明度和贴合性，这不仅美观，还便于直接观察皮肤不良反应。冷冻干燥后的水凝胶SEM表征显示其内部具有高度多孔结构，有助于气体渗透。
水汽透过率（WVTR）与抗干燥性能：实验表明，超薄水凝胶的WVTR几乎与敞口瓶相同，约为1669.3±23.5g/m²・day，足以满足皮肤气体扩散需求，而增加水凝胶厚度会降低WVTR。由于甘油的锁水能力，超薄水凝胶在环境中储存21天的失水率仅约1%，相比之下，不含甘油的超薄水凝胶在24小时内迅速干燥，2天储存后失水率高达41.1%。同时，研究了纳米网密度对水凝胶厚度的影响，制备了不同纳米网密度的水凝胶，其厚度分别为6.7、9.6、35.9和40.2微米。
（二）机械与粘附特性
1、机械性能提升
拉伸实验表明，聚氨酯纳米网增强水凝胶的拉伸强度显著高于纯聚氨酯纳米网和GGBWNa水凝胶。
不同纳米网密度的水凝胶拉伸性不同，如PU0.3-GGBWNa、PU0.6-GGBWNa和PU1.1-GGBWNa的拉伸性分别达到606±29.6%、696±26.3%和646±11.9%应变。
较高的纳米网密度导致水凝胶具有更高的杨氏模量和韧性，且在相同纳米网密度下，较厚的水凝胶由于纳米网含量较低，杨氏模量和韧性较低。
与之前基于明胶的脑电图水凝胶传感器相比，本研究成功制备了厚度小1000倍但拉伸性高1.2倍的超薄水凝胶。循环拉伸实验显示，超薄水凝胶在100%应变下可承受1000次拉伸和释放循环，且由于水凝胶基质中物理相互作用的快速解离和恢复，后续拉伸应力曲线几乎重叠，表现出良好的抗疲劳性，其杨氏模量低于人体皮肤（0.1至2MPa），确保了与皮肤的高贴合性。
2、粘附性能良好
粘附实验表明，超薄水凝胶的面积粘附能高达176.8μJ/cm²，粘附行程为6.7mm。
从人工皮肤上剥离超薄水凝胶的实验及相关数据显示，较薄的增强水凝胶由于弯曲刚度显著降低而具有更高的面积粘附能。
明胶中的氨基酸基团、阴离子和阳离子有助于通过化学键和物理键（如氢键、静电相互作用和络合键）与各种表面形成强而可逆的结合，使超薄水凝胶在拉伸和压缩过程中能随自然皮肤运动，无需额外固定或粘合剂。
经过200次粘附/分离循环后，面积粘附能仍保持90%以上，证明了其可重复用于健康监测的能力。
与商业婴儿安全心电图凝胶相比，超薄水凝胶的面积粘附能虽低0.3倍，但厚度小100倍，剥离后不会对人体皮肤造成刺激。
（三）电生理监测应用
1、心电监测
水凝胶电极与皮肤之间的阻抗是获取高质量电生理信号的重要因素。实验表明，超薄水凝胶（约10微米厚）在100Hz时的皮肤-电极阻抗为31.3千欧姆，低于商业凝胶（约1毫米厚，阻抗为57.5千欧姆），且两者均足以用于生物电信号记录。
超薄水凝胶的低阻抗归因于其高离子电导率（9.3±0.5S/m）以及通过强自粘性最小化了与皮肤之间的界面间隙。连续佩戴24小时后的阻抗几乎与初始曲线重合，表明其长期皮肤适用性。
采用超薄水凝胶进行长期连续无线心电图监测，将两个超薄水凝胶粘附在受试者胸部，连接到带有蓝牙组件的便携式无线模块实时收集心电图信号。
实验成功捕获了高信噪比（SNR）为32.8±1.6dB的特征波形，而商业凝胶的SNR为29.7±1.0dB。
在受试者进行日常活动（如电脑工作、步行、睡眠、实验室实验和进食）期间，超薄水凝胶均能稳定监测心电图信号，并分析了不同活动期间的平均心率。
从第2天到第7天的心电图信号也显示出稳定的特征峰，整个测量过程中SNR几乎保持不变，平均值高达32.2±1.3dB。
此外，超薄水凝胶在运动出汗期间仍能获取清晰的心电图波形，表明出汗对心电图监测影响可忽略不计，可能得益于水凝胶的优异气体/蒸汽渗透性以及汗水导致的皮肤接触阻抗略微降低和离子电导率增加。
经过12天连续佩戴，皮肤接触阻抗略有变化（从第5天的36.6千欧姆到第12天的52.4千欧姆），但对心电图信号质量影响最小，且在环境中储存1至21天后，超薄水凝胶仍能收集高保真度的心电图信号，显示其在心脏疾病早期诊断方面的巨大潜力。
2、其他监测应用
除心电图监测外，超薄水凝胶还成功应用于其他电生理信号监测。在肌电（EMG）监测中，将超薄水凝胶放置在肱桡肌上，与商业凝胶对比，握拳时两者收集的信号波形相似，SNR分别为38.2dB（超薄水凝胶）和38.4dB（商业凝胶），连续佩戴24小时后，超薄水凝胶仍能获得高质量的肌电信号，平均SNR为37.8dB。
对于运动传导速度（MCV）信号监测，将超薄水凝胶放置在鱼际腔上刺激外周神经捕获信号，其与商业凝胶均呈现典型的双向高振幅“M”形波形，且超薄水凝胶获取信号的持续时间（0.7ms）与商业凝胶相当，而振幅（8.7）高于商业凝胶（7.4）。
在眼电（EOG）监测中，通过将超薄水凝胶放置在受试者眼部特定位置，当眼睛左右移动时，成功记录到周期性的EOG信号，与商业凝胶记录的信号相似。
脑电图（EEG）信号监测方面，尽管由于信号微弱且易受头发干扰，高质量无创记录困难，但将超薄水凝胶放置在额头，按照10至20国际脑电图系统，在佩戴24小时前后，其获取的EEG信号在幅度和功率谱密度方面差异可忽略不计。
对于听觉脑干反应（ABR）和视觉诱发电位（VEP）信号监测，分别通过在头部特定位置放置水凝胶电极并给予相应刺激，成功捕获特征波形，如ABR在10ms内生成特征波形，VEP在正常范围内（89至114ms）出现P100波形，且连续佩戴24小时后信号轮廓仍能保持，证明了超薄水凝胶在这些监测应用中的高质量监测能力。
此外，超薄水凝胶还可作为耐用的皮肤应变计，且利用水凝胶材料的温度响应相变特性，可用吹风机轻松从多毛皮肤上去除。
三、研究总结与展望
1、成果总结
本研究成功开发了一种10微米厚的聚氨酯纳米网增强透气水凝胶传感器，通过材料设计和纳米网强化结构，实现了超薄、高机械强度、高粘附性、透气和抗干燥等性能。该传感器在日常生活条件下可连续8天高质量监测多种电生理信号，如心电图、肌电、运动传导速度、眼电、脑电图、听觉脑干反应和视觉诱发电位等，相比之前的研究取得了显著进步。例如，之前基于明胶的温度控制相变可绘制生物凝胶仅能进行3天的间歇性健康监测，而本研究的超薄透气水凝胶实现了更长时间的连续监测。
2、未来展望
尽管取得了重要成果，但为了使水凝胶传感器适应极端条件（如极端温度、湿度、机械损伤和酸碱环境），仍需要进一步开发先进材料，以获得相应的适应性。此外，将人工智能集成到数字健康中的高精度诊断和治疗以及人机/脑机接口的精确控制中，也是未来发展的重要方向。本研究为水凝胶皮肤生物电子学的长期应用提供了有前景的材料和工程解决方案，是朝着无创个性化医疗迈出的重要一步。
四、一起来做做题吧
1、以下关于皮肤生物电子学的说法，不正确的是（ ）
A. 能够为个性化医疗中的疾病预防、筛查、诊断和治疗提供有力支持
B. 水凝胶因其与生物组织相似等特性在其中备受关注
C. 现有的水凝胶生物电子学已完全满足长期连续健康监测的要求
D. 可靠的长期连续健康监测需要水凝胶克服易脱水和机械软等问题
2、在水凝胶的设计中，加入硼砂的作用不包括（ ）
A. 与明胶和甘油反应形成交联网络结构
B. 调节水凝胶的转变温度
C. 提高水凝胶的水汽透过率
D. 提高水凝胶的交联密度
3、聚氨酯纳米网增强水凝胶的拉伸性与以下哪个因素有关？（ ）
A. 仅与纳米网密度有关
B. 仅与水凝胶厚度有关
C. 与纳米网密度和水凝胶厚度都有关
D. 与纳米网密度和水凝胶厚度都无关
4、在心电图监测中，超薄水凝胶电极相比商业凝胶电极的优势不包括（ ）
A. 皮肤 - 电极阻抗更低
B. 厚度更小
C. 对出汗情况更不敏感
D. 信号采集范围更广
5、本研究成果对未来发展的意义不包括以下哪项？（ ）
A. 为水凝胶皮肤生物电子学的长期应用提供了材料和工程解决方案
B. 表明目前的水凝胶传感器已无需改进，可直接广泛应用于临床
C. 是朝着无创个性化医疗迈出的重要一步
D. 为适应极端条件下的应用指明了进一步开发先进材料的方向
参考文献：
Zongman Zhang et al. A 10-micrometer-thick nanomesh-reinforced gas-permeable hydrogel skin sensor for long-term electrophysiological monitoring. Sci. Adv. 10, eadj5389(2024).
