廣東以色列理工學(xué)院王燕團(tuán)隊(duì) Sci. Adv.：10微米厚超薄韌透氣水凝膠電子皮膚傳感器實(shí)現(xiàn)日常穿戴長期連續(xù)人體健康監(jiān)測
皮膚生物電子的長時(shí)連續(xù)人體健康監(jiān)測功能為及時(shí)疾病預(yù)防、篩查、診斷和治療提供了有效途徑，對于個(gè)性化健康醫(yī)療具有重要意義。水凝膠作為一類含有高水分的交聯(lián)聚合物，由于其與生物組織的相似性以及在電學(xué)、力學(xué)和生物功能工程方面的多樣性，已經(jīng)在皮膚生物電子領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。水凝膠皮膚生物電子器件在健康相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力，如生物信號檢測、人機(jī)界面、精準(zhǔn)治療等。然而，制備超薄、透氣、能夠自粘附于人體皮膚并適合長期日常使用 (>1 周) 的水凝膠傳感器仍具挑戰(zhàn)。
這些傳感器不僅需要超薄、具有氣體透過性，還需要具備良好皮膚粘附性、機(jī)械魯棒性，并且能夠抗失水。首先，制備具有高氣體透過性、皮膚粘附性和機(jī)械魯棒性的微米級厚度水凝膠非常困難。由于制備技術(shù)和操作方面的挑戰(zhàn)，超薄透氣和自粘附型水凝膠非常少。此外，微米級厚度水凝膠由于犧牲了機(jī)械強(qiáng)度，通常容易受到機(jī)械損壞。要想改善水凝膠機(jī)械性能，通常會導(dǎo)致器件厚度增大，嚴(yán)重限制透氣性能，其厚重外形尺寸還可能引起機(jī)械或感覺干擾。此外，另一個(gè)不可忽視的問題是水凝膠固有的易失水特性，該特性會導(dǎo)致在長時(shí)間監(jiān)測過程中信號惡化。值得注意的是，較薄的水凝膠由于較高的表面積與體積比會使器件干燥速度加快。
近日，廣東以色列理工學(xué)院王燕、東京大學(xué)Takao Someya、中國石油大學(xué)(北京)王春雅教授課題組研發(fā)了一種 10 微米厚的納米網(wǎng)格增強(qiáng)型透氣水凝膠皮膚傳感器，它能在人體日常生活條件下自粘附于人體皮膚，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)8天高質(zhì)量電生理信號監(jiān)測。本研究包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟：首先，設(shè)計(jì)明膠熱敏相變水凝膠材料；其次，通過納米網(wǎng)格增強(qiáng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超薄韌特性。由此得到水凝膠皮膚電極厚度低至10 微米，并表現(xiàn)出優(yōu)異機(jī)械魯棒性、皮膚粘附性、透氣性和抗失水性能。為了展現(xiàn)其在疾病早期發(fā)現(xiàn)及治療方面的應(yīng)用，我們展示了該水凝膠電極對人體心電圖、肌電圖、運(yùn)動傳導(dǎo)速度、眼電圖、腦電圖、聽覺腦干反應(yīng)、視覺誘發(fā)電位等信號的高保真長期連續(xù)監(jiān)測。該工作以“A 10-micrometer-thick nanomesh-reinforced gas-permeable hydrogel skin sensor for long-term electrophysiological monitoring”為題發(fā)表在《Science Advances》上（https://doi.org/10.1126/sciadv.adj5389）。論文的第一作者是博士生章宗漫。該研究得到國自然、廣東省科技廳和李嘉誠基金會等項(xiàng)目支持。
圖1. 用于長期連續(xù)電生理監(jiān)測的10微米厚的納米網(wǎng)格增強(qiáng)型透氣水凝膠皮膚傳感器。(A) PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠設(shè)計(jì)示意圖。(B)超薄水凝膠用于長期連續(xù)電生理信號監(jiān)測，如心電圖、肌電圖、運(yùn)動傳導(dǎo)速度、眼電圖、腦電圖、聽覺腦干反應(yīng)和視覺誘發(fā)電位。(C) 超薄水凝膠附著在陽極氧化鋁基板上的橫截面掃描電子顯微鏡圖像？潭瘸，10微米。(D) 機(jī)械魯棒性：超薄水凝膠支撐大量水分。拉伸應(yīng)力(σ)：σ=Pr/2t。其中P、r和t分別為水的壓力、曲率半徑和超薄水凝膠的厚度？潭瘸撸1厘米。(E) 超薄水凝膠從人體皮膚上剝離的照片，顯示出良好的附著性和高彈性？潭瘸撸1厘米。
圖2. 熱響應(yīng)相變水凝膠材料和超薄水凝膠的表征。(A) 在高溫（55℃）和室溫（25℃）下拍攝的水凝膠照片和紅外攝像機(jī)圖像，說明它們溫度依賴的相變特性。刻度尺，1厘米。(B) 不同配方的水凝膠溶液在從75℃到10℃的溫度掃描中的流變特性，顯示它們在粘性液態(tài)和彈性凝膠態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。(C) 從（B）計(jì)算得到的相應(yīng)tanδ (G″/G′)。(D) 不同配方的水凝膠和超薄水凝膠的傅立葉變換紅外光譜（FTIR）。(E) GGBWNa和PU0.3-GGBWNa的光學(xué)透射率，插圖展示了超薄水凝膠與綠葉緊密貼合？潭瘸，1厘米。(F) 凍干超薄水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像。刻度尺，5微米。(G) 未覆蓋的瓶子、覆蓋有1000微米厚PDMS薄膜的瓶子和覆蓋有約10微米厚超薄水凝膠的瓶子的水蒸氣透過率比較。(H) 在室溫環(huán)境下，超薄水凝膠的抗失水性能持續(xù)21天。(I) 水凝膠和PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠的厚度比較。誤差條表示測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）（n = 3）。
圖3. PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)和粘附特性。(A) PU納米網(wǎng)格、水凝膠和PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠的拉伸應(yīng)力曲線。(B) 從（A）計(jì)算得到的PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠的楊氏模量和韌度比較。(C) 在100%應(yīng)變下，超薄水凝膠的循環(huán)拉伸/回復(fù)曲線。(D) 照片展示了在粘附分離實(shí)驗(yàn)中超薄水凝膠從人工皮膚上剝離的過程？潭瘸撸1厘米。(E) PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠的力程曲線。(F) PU納米網(wǎng)格增強(qiáng)水凝膠在人工皮膚上的面積粘附能和分離行程比較。(G) 顯微鏡圖像顯示了超薄水凝膠無縫附著在人體皮膚上？潭瘸，1厘米。(H) 超薄水凝膠在200次附著/分離粘附循環(huán)期間的標(biāo)準(zhǔn)化粘附能。誤差條表示測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）（n = 3）。
圖4. 超薄透氣水凝膠傳感器在日常生活條件下進(jìn)行長期連續(xù)高保真心電信息（ECG）監(jiān)測。(A) 商用凝膠和超薄水凝膠的皮膚-電極接觸阻抗分析。(B) 超薄水凝膠附著在受試者胸部用于測量ECG信號的示意圖。(C) 靜坐狀態(tài)下商用凝膠（上圖）和超薄水凝膠（下圖）記錄的ECG信號。(D) 超薄水凝膠在第1天上午11點(diǎn)到晚上11點(diǎn)期間監(jiān)測各種正常日常活動的ECG信號監(jiān)測（上圖）和心率結(jié)果（下圖）。插圖顯示了放大的數(shù)據(jù)段。(E) 第2天到第7天的ECG信號監(jiān)測，插圖顯示了放大的數(shù)據(jù)段。(F) 超薄水凝膠在第8天下午2點(diǎn)到第2天上午2點(diǎn)期間監(jiān)測各種正常日；顒拥腅CG信號監(jiān)測（上圖）和心率結(jié)果（下圖），單位為任意單位（a.u.）。
圖5. 超薄透氣水凝膠傳感器進(jìn)行的其他長期高保真電生理監(jiān)測。(A) 測量MCV信號的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。(B) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的MCV信號。(C) 測量EOG信號的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。(D) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的EOG信號。(E) 測量EEG信號的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。(F) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的EEG alpha節(jié)律。(G) 從(F)獲取的EEG信號的功率譜密度。(H) 測量ABR信號的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。(I) 商用凝膠和水凝膠記錄的ABR波形。(J) 測量VEP信號的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。(K) 商用凝膠和超薄水凝膠記錄的VEP信號。所有提到的生理信號在連續(xù)佩戴24小時(shí)期間進(jìn)行監(jiān)測，單位為任意單位（a.u.）。
由于超薄結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械性能、透氣性、自粘附性和抗失水能力等關(guān)鍵特性的協(xié)同作用，該水凝膠傳感器可實(shí)現(xiàn)在日常生活條件下連保持長期高保真生理電信號監(jiān)測。超薄結(jié)構(gòu)是通過在高溫(55-75°C)下將電紡納米網(wǎng)格浸入稀釋的明膠水凝膠溶液中，然后在生理溫度下實(shí)現(xiàn)凝膠化。納米網(wǎng)格極大提高了超薄水凝膠的機(jī)械魯棒性。透氣性歸因于水凝膠的超薄和多孔結(jié)構(gòu)特質(zhì)。此外，超薄結(jié)構(gòu)也有助于其自粘附性，以及在水凝膠-皮膚界面形成的強(qiáng)且可逆的化學(xué)和物理鍵。此外，通過引入甘油/水二元溶劑和水合鹽實(shí)現(xiàn)了其抗失水能力。
這項(xiàng)工作標(biāo)志著水凝膠皮膚傳感器從厚重缺乏透氣性的外形尺寸特征演化到透氣薄韌。然而，為了適應(yīng)極端環(huán)境，如極端溫度、濕度、機(jī)械損傷以及酸性/堿性環(huán)境等，需要先進(jìn)材料開發(fā)，以同時(shí)獲得特定適應(yīng)性屬性，實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)的人體關(guān)鍵生理信號監(jiān)測應(yīng)用。此外，在數(shù)字健康領(lǐng)域以及人體/腦機(jī)接口中，還需整合人工智能，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷、治療及控制。這項(xiàng)工作為面向長時(shí)連續(xù)人體健康監(jiān)測水凝膠皮膚生物電子的未來發(fā)展提供了新的材料和結(jié)構(gòu)途徑，代表了邁向非侵入式個(gè)性化醫(yī)療保健的重要一步。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5389
