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西南交大鄧維禮/楊維清教授團隊 CEJ：體溫觸發粘合離子導電水凝膠

2024-09-03 來源：高分子科技

心電圖 (ECG)、肌電圖 (EMG) 和腦電圖 (EEG) 等生物電信號是人體的基本生理指標，為了解生物運動規律和生理紊亂的內在機制提供了寶貴的信息。為確保穩定、精確地記錄這些信號，靈活可穿戴和生物兼容的電極至關重要。然而傳統商用電極在與人體皮膚接觸時存在貼合性差、易引起不適等問題；而現有的柔性生物電極雖然在一定程度上改善了這些問題，但仍存在粘附性不強導致信號采集不穩定等缺陷。近年來，水凝膠因其獨特的生物相容性、柔軟性以及可調節的機械和電學性質，成為了生物電子領域的理想材料之一。然而，制備具有高韌性、強粘附性和按需脫落的水凝膠仍是一項挑戰。

近日，西南交通大學鄧維禮副教授和楊維清教授團隊開發了一種體溫觸發的粘附性離子導電水凝膠，該水凝膠基于聚丙烯酰胺(PAAM)、明膠和海藻酸鈉(SA)，通過溫度敏感的明膠成分，實現了人體溫度觸發的快速粘附性能。當水凝膠接觸人體皮膚時，明膠的三螺旋結構在體溫作用下展開，增加了與皮膚表面的接觸面積和粘附力；在冷卻后，三螺旋結構重新纏繞，減少了與皮膚的粘附，實現了無痛剝離。由于水凝膠模量與皮膚相當，可實現共形貼附，電極-表皮阻抗較低，測得信號的信噪比約為 25 dB，可以高保真地記錄各種生物電信號，在生物醫學應用方面顯示出巨大的潛力。該工作以“Body temperature-triggered adhesive ionic conductive hydrogels for bioelectrical signal monitoring”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上(Chem. Eng. J. 498 (2024) 155195)。

圖1.具有溫度調節粘附性的 PGS 水凝膠示意圖。

離子導電水凝膠是由PAAM、Gelatin和SA組成（圖1）。在體溫下，明膠的三螺旋結構展開，增加了與皮膚的粘附力；而在冷卻后，三螺旋結構重新纏繞，減少了粘附力，實現了與皮膚的無痛剝離。PGS導電水凝膠可以用于人體生物電信號的監測。

圖2. PGS 水凝膠的表征和機械性能。

作者對離子導電水凝膠的力學性能進行了一系列測試，如圖2所示，隨著SA含量從0增加到0.8 wt%，其拉伸應力、斷裂伸長率和楊氏模量都有所增加。結果表明通過調節海藻酸鈉含量，可以優化水凝膠的力學性能。結果表明 PGS 水凝膠可承受 80% 的高壓縮變形而無任何損傷，并且在卸載后可迅速恢復原狀。同時，水凝膠在拉伸、彎曲和扭曲后仍能保持原有形狀而不會斷裂。

圖3.體溫觸發 PGS 水凝膠的機理。

作者隨后對水凝膠進行了更系統的粘附性能表征。在人體體溫下(37 ℃)，該水凝膠與人體皮膚有較強的粘附能力，通過冰敷，水凝膠可以與皮膚無損傷剝離。同時測試了不同溫度下的粘附力。測試表明，PGS水凝膠具有良好的粘附性，這為電子和生物組織之間提供了橋梁。

圖4. PGS 水凝膠的導電性能和穩定性。

作者對水凝膠的電學性能進行了測試，結果表明，通過增加LiCl的含量，可以有效提升水凝膠的導電性能，同時PGS水凝膠在一定形變下仍具有穩定的導電性。與商業Ag/AgCl電極相比，PGS水凝膠可以與人體皮膚形成良好的共形貼合以及較低的接觸阻抗。

圖5.應用 PGS 水凝膠作為肌電電極。

作者用PGS水凝膠表皮電極來記錄心電和肌電信號，其性能與商業Ag/AgCl電極相當。實驗結果表明，PGS水凝膠電極可以成功采集肌電信號并準確記錄心電信號的波形。

研究團隊提出的聚丙烯酰胺/明膠/海藻酸鈉離子傳導水凝膠在監測肌電信號、心電信號等方面表現出良好的性能。所開發的離子導電水凝膠可在體溫（37 °C）下與皮膚產生穩定的粘附，冷敷約 10 s 后即可輕松剝離，不會對皮膚造成損傷。該水凝膠具有良好的導電性（5.69 S m^?1）和柔韌性，從而降低了與皮膚的接觸阻抗，實現了信噪比為 25 dB 的高質量 sEMG 信號采集。這項研究為設計溫度觸發水凝膠提供了一個大有可為的機會，在構建可靠的生物界面和高保真生物電信號記錄方面顯示出巨大的應用潛力。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155195

作者簡介：

鄧維禮，博士，副教授，碩士生導師，四川省學術和技術帶頭人后備人選，四川省海外高層次留學人才，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）及河濱分校（UCR）訪問學者。長期從事納米功能材料及柔性電子的基礎研究，近年來，以第一或通訊作者身份，在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy等國際知名期刊發表學術論文40余篇，包括ESI熱點論文1篇，ESI高被引論文7篇，封面論文8篇，論文引用7600余次，相關研究成果獲授權發明專利10余件。主持國家自然科學基金NSAF聯合基金項目、青年科學基金項目、四川省科技廳重點研發項目、四川省自然科學基金面上項目、中央高校科技創新項目等多項國家及省部級科研項目。指導多項SRTP國創項目，入選教育部主辦的全國大學生創新創業年會1次，指導學生參加中國“互聯網+”大學生創新創業大賽、 “挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、中美青年創客大賽、全國節能減排社會實踐與科技競賽等國家A類學科競賽，獲全國三等獎5次，四川省一等獎1次、二等獎1次、三等獎3次。指導的研究生多人次獲國家獎學金及四川省優秀畢業生等榮譽。

個人主頁：https://faculty.swjtu.edu.cn/dengweili/zh_CN/index.htm

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（責任編輯：xu）

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