新加坡国立大学翟玮《自然·通讯》：原位成型导电凝胶实现高应力环境下高保真信号监测

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-08 12:53

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电子皮肤因其柔软贴合、能实时监测生理信号的特点，近年来在健康监测和人机交互中备受关注。导电软材料是电子皮肤的核心组件，用于高效传递生理数据至电子系统。然而，现有的有机导电软材料（如导电弹性体、凝胶等）多为固态设计，虽然具有一定的柔性和机械强度，但在贴合不规则或多毛皮肤表面时适配性不足，尤其在运动或机械应力环境下易发生界面脱离，从而影响信号采集的精度和可靠性。此外，提高这些材料的导电性能，对提高信号传递的灵敏度和速度也尤为重要。

针对这些挑战，新加坡国立大学翟玮助理教授团队开发了一种基于液-固相转化导电凝胶。该材料兼具有良好的机械性能、电学性能和界面稳定性，可在复杂应力环境下实现高保真信号采集。

本研究开发的导电凝胶由明胶、PEDOT:PSS 和深共晶溶剂构成，具备独特的液-固相转化能力：在 60°C 以上呈液态，便于均匀涂覆于不规则皮肤表面；冷却至室温后，可在 3 分钟内快速固化，形成稳定的凝胶界面。其结构具备半互穿聚合物网络，结合离子导电与电子导电双重机制，兼顾高强度与高导电性。性能测试表明，该材料具备卓越的拉伸强度（1-3 MPa）、接近皮肤的弹性模量（0.3-1.1 MPa）及强附着力（约 1 MPa），能够在复杂运动环境下保持稳定贴合。在电学性能方面，凝胶实现了高信噪比（SNR, 30-40 dB），在心电图（ECG）和表面肌电图（sEMG）信号检测中表现出色，即便在跑步、深蹲等高动态场景中，依然能够可靠捕捉生理信号。在实际应用中，该导电凝胶已显示出在运动监测中的广泛潜力，能够记录长距离行走、跑步和深蹲时的生理状态，并监测运动疲劳后的肌肉恢复情况。此外，该材料可用于制造心脏阵列贴片，进行体内心脏生理信号的动态监测，展现出在医学诊断和运动监测领域的广泛应用前景。

原位凝胶化在增强附着力方面起到了至关重要的作用。预成型凝胶需要非常柔软才能贴合皮肤表面，但较软的凝胶通常表现出较低的韧性。相比之下，原位成型凝胶能够在保持良好附着力的同时，提升模量和韧性。与其他原位凝胶相比，半互穿聚合物网络有效解决了传统凝胶常见的力学性能不足问题，确保了材料的耐用性、长期使用性能以及在机械应力下的恢复能力，这些特性对于电生理应用中的高精度信号采集至关重要。此外，该材料通过整合离子导电和电子导电机制，克服了传统明胶基材料的局限性，显著提高了材料在低频下的电压跟随能力，确保了高保真电生理信号的记录。使用深共晶溶剂替代水的设计避免了水分流失可能带来的不利影响，进一步提高了信号采集的稳定性和可靠性。

该研究成果以“Robust Skin-Integrated Conductive Biogel for High-Fidelity Detection under Mechanical Stress”为题发表在《Nature Communications》上。文章的第一作者为新加坡国立大学博士后李天、博士研究生戚浩波，以及上海交通大学附属第九人民医院赵灿灿助理研究员。