夜雨聆风
电子皮肤-一种可皮肤打印、抗冻且可回收的离子水凝胶生物电极,用于连续电生理监测
可穿戴电生理监测技术的蓬勃发展，对柔性导电材料（特别是水凝胶）提出了更高要求，这类材料因其卓越的机械性能、优异导电性和良好生物相容性而备受青睐。然而，传统水凝胶在低温环境下易发生冻结，导致功能失效；同时，预制水凝胶电极往往存在贴合度不足、稳定性欠佳等问题，严重制约了实际应用。为此，我们成功开发了一种新型表皮生物电极，该电极基于可皮肤打印水凝胶技术，能够实现连续、高精度的无线电生理监测。该水凝胶采用简单高效的一锅法合成，主要成分为明胶、甘油、氯化铵和水。得益于独特的可逆热相变特性，这种水凝胶能够在光滑或多毛的皮肤表面实现精准打印。
广东以色列理工学院王燕教授团队成功研制出一种新型离子水凝胶生物电极，该产品兼具皮肤可打印、抗冻和可回收三大特性，能够实现连续电生理监测功能。该水凝胶具有以下特性：1.可逆热相变特性：水凝胶可在流体与凝胶状态间快速可逆转换，这一特性使其能够在人体皮肤表面实现精确原位打印，并能与可穿戴设备集成。2.优异的抗冻性和透明度：即使在-196 ℃的液氮极端低温环境下，水凝胶仍可保持优异的光学透明特性和机械柔韧性能。3.多重功能特性：水凝胶表现出良好的皮肤粘附性、优异的抗冻性能、快速自愈能力、高效的保水特性和良好的可回收性。4.精准的信号采集性能：水凝胶电极能够稳定、准确地采集EOG、EMG、EEG和ECG等生理电信号，适用于持续实时的电生理评估。
图1：可用于皮肤打印的 GGW-NH4Cl 水凝胶生物电极，用于连续电生理监测。（A）示意图描绘了可用于皮肤打印的水凝胶的概念，用于无线监测 EEG、EOG、ECG 和 EMG电生理信号。（B）GGW-NH4Cl水凝胶在高温(流体态)和室温(凝胶态)下的光学照片与红外热成像图 (比例尺：5 mm)。（C）GGW-NH4Cl 水凝胶在流体态与凝胶态间结构转变的分子交联示意图。（D）GGW-NH4Cl水凝胶原位凝胶化 (t = 44 s) 后的皮肤剥离照片 (比例尺：5 mm)。 (E) 分离水凝胶的光学显微图像，显示清晰的皮肤纹理复制 (比例尺：500 μm)。(F) Ag/AgCl电极与GGW-NH4Cl水凝胶连接界面的附着性能展示 (比例尺：5 mm)。(G) GGW-NH4Cl水凝胶在人体皮肤表面的精细打印效果 (比例尺：5 mm)。
图2：GGW-NH4Cl水凝胶的结构、电学、力学、流变及粘附特性。(A) GGW-NH4Cl水凝胶横截面SEM图像(比例尺：500 μm)。(B) 不同离子组成水凝胶的本征阻抗谱。(C) 不同NH4Cl含量水凝胶的应力-应变曲线。(D) GW水凝胶与GGW-NH4Cl水凝胶的FTIR光谱对比。(E) 基于图S5A计算的tan δ (G″/G′)值。(F) GGW-NH4Cl水凝胶的凝胶化过程振荡时间扫描曲线，交点表明凝胶化时间为44 s。(G) GGW-NH4Cl水凝胶在不同基材表面的粘附性能(比例尺：2 cm)。(H) GGW-NH4Cl水凝胶与商用凝胶在Ag/AgCl电极上的90°剥离界面粘附力对比。(I) GGW-NH4Cl水凝胶与商用凝胶在人体皮肤表面的90°剥离界面粘附力对比。
图3：GGW-NH4Cl水凝胶的抗冻、自愈合、保水及可回收性能。(A) GGW-NH4Cl水凝胶与GW水凝胶在25°C和-196°C下的抗冻性能对比 (比例尺：1 cm)。(B) GGW-NH4Cl水凝胶与GW水凝胶的差示扫描量热 (DSC) 曲线。(C) GGW-NH4Cl水凝胶在25°C和-80°C下的应力-应变曲线。(D) GGW-NH4Cl水凝胶与商用导电膏在25°C和-80°C下的本征阻抗谱对比。(E) GGW-NH4Cl水凝胶在37 °C温和热刺激下的宏观自愈合行为 (修复时间：1 h；比例尺：1 cm)。(F) 原始与自愈合后GGW-NH4Cl水凝胶的应力-应变曲线对比。(G) GGW-NH4Cl水凝胶在25°C、50%相对湿度环境下储存5天的保水性能。(H) 原始与回收后GGW-NH4Cl水凝胶的应力-应变曲线对比。(I) 商用凝胶与GGW-NH4Cl水凝胶的皮肤接触阻抗谱。
图4：GGW-NH4Cl水凝胶的无线连续电生理监测性能。(A) EOG、EMG、EEG和ECG信号测量的电极位置示意图（N：接地电极；R：参考电极）。(B) 商用导电膏（上）与GGW-NH4Cl水凝胶（下）记录的EOG信号及相应信噪比(SNR)。(C) 商用凝胶（上）与GGW-NH4Cl水凝胶（下）记录的EMG信号及相应SNR。(D) 商用凝胶与GGW-NH4Cl水凝胶EMG信号SNR的箱线图对比。(E) 睁眼/闭眼状态下商用导电膏（上）与GGW-NH4Cl水凝胶（下）记录的EEG信号。(F) 基于(E)的EEG信号谱图分析，显示闭眼状态下显著的α节律。(G) 使用GGW-NH4Cl水凝胶进行80分钟骑行、工作和行走时的连续无线ECG监测 (上：原始ECG数据；下：心率 (HR) 和心电变异率 (SDNN))。
作者介绍了一种热响应性可皮肤打印水凝胶电极，可实现连续、高保真的无线电生理监测。该水凝胶由明胶、甘油、水和氯化铵通过一锅法制备，具有可逆的热相变特性，可直接在人体皮肤上打印。原位凝胶化后，水凝胶与皮肤界面（0.9 N/cm）及与电极界面（2.6 N/cm）均表现出强粘附性。甘油和氯化铵的引入赋予材料优异抗冻性能，在-80 °C至43.9 °C相变温度范围内保持机械柔韧性，在液氮中仍具光学透明性。此外，水凝胶还具备温度诱导自愈合、高保水性和可回收特性，适合长期可穿戴应用。实际测试中，该电极实现了超过80分钟的稳定心电图监测，展现出持续心脏监测潜力。GGW-NH4Cl水凝胶突破了传统电极的机械和环境限制，可提供精准的生理监测数据，为表皮电子器件和可穿戴医疗应用提供了新型材料解决方案。
【参考文献】
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162451
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