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  生物體內(nèi)肌肉運(yùn)動(dòng)和神經(jīng)活動(dòng)所產(chǎn)生微弱的電流被稱為生物電流。對(duì)生物電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在健康評(píng)估和運(yùn)動(dòng)管理中得到了廣泛應(yīng)用。例如，心電圖（ECG）可以記錄每個(gè)心跳周期產(chǎn)生的電信號(hào)，從而提醒人們?cè)谛呐K病發(fā)作前采取預(yù)防措施。隨著人類對(duì)海洋的不斷探索，海洋與人類的關(guān)系越來越密切，心臟病已經(jīng)成為潛水員和其他水下工作者的重要死因。近年來，盡管基于不同材料的柔性電極已經(jīng)被開發(fā)出來，并用于記錄人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的心電信號(hào)，但是它們的應(yīng)用環(huán)境通常僅限于空氣中。將柔性電極的應(yīng)用環(huán)境拓展到水下仍具有挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)槿嵝噪姌O在水下會(huì)失去其功能。例如，為了獲得穩(wěn)定、可靠的電信號(hào)，柔性電極必須能牢固地粘附在人體皮膚表面。然而，對(duì)于柔性電極來說，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的水下粘附仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樵谒滤肿訒?huì)在粘附劑和基材表面形成一層水合層，大大降低了粘附強(qiáng)度。盡管近年來已經(jīng)開發(fā)了一些基于有機(jī)凝膠的水下電子器件，但由于親水基團(tuán)的存在，它們?cè)谒h(huán)境中存在溶脹、有機(jī)溶劑泄漏等問題。

  武培怡教授課題組于振川博士利用疏水性聚合物將凝膠的應(yīng)用范圍拓展到水下環(huán)境中(Adv. Mater. 2021, 2008479, Mater. Horiz., 2021,8, 2057-2064)。近日，于振川博士通過在特定離子液體中聚合離子液體單體的方式，設(shè)計(jì)了一種高性能的離子凝膠，并將其用于水下心電信號(hào)的檢測(cè)。與之前的工作相比，該離子凝膠透明性優(yōu)異，且具有更加廣泛可調(diào)的力學(xué)性能，楊氏模量可以從0.22 MPa調(diào)節(jié)到337 MPa，斷裂應(yīng)變可以從349%調(diào)節(jié)到>10000%。離子凝膠內(nèi)部疏水性聚合物骨架賦予了其在水環(huán)境中優(yōu)異的穩(wěn)定性，并且能夠在水下表現(xiàn)出良好的自修復(fù)性，以及對(duì)生物組織的粘附性。在水下環(huán)境中，離子電極能夠與皮膚緊密結(jié)合，并且離子凝膠內(nèi)部游離的離子基團(tuán)賦予了其離子導(dǎo)電性，使離子凝膠能夠檢測(cè)和傳遞生理電信號(hào)。同時(shí)該離子凝膠表現(xiàn)出良好的生物相容性，在2天內(nèi)沒有觀察到對(duì)皮膚的刺激。相比于商業(yè)凝膠電極，該離子凝膠電極可用于在水中收集穩(wěn)定可靠的心電信號(hào)。需要強(qiáng)調(diào)的是，使用離子凝膠電極在水下測(cè)到的心電信號(hào)強(qiáng)度與在空氣中測(cè)到的幾乎一樣， 可以用與游泳運(yùn)動(dòng)員（或潛水員）的實(shí)時(shí)心電信號(hào)跟蹤和比較。

圖1. 離子凝膠的力學(xué)性能、導(dǎo)電性和自修復(fù)性能。

圖2. 離子凝膠的粘附性能和生物相容性。

圖3. 離子凝膠的傳感性能。

圖4. 離子凝膠的水下心電監(jiān)測(cè)能力。

  以上研究成果近期以“Water-Resistant Ionogel Electrode with Tailorable Mechanical Properties for Aquatic Ambulatory Physiological Signal Monitoring”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202107226）上。于振川博士為文章第一作者，通訊作者為東華大學(xué)武培怡教授。該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51973035, 51733003)等項(xiàng)目的資助與支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107226