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  當前conformal 電子設備及水凝膠材料存在多方面局限，具體為：（1）傳統 conformal 電子設備，需在模具中預定制形狀以適配目標器官，過程復雜且限制植入后的自由變形；（2）刺激響應材料缺陷：多數依賴溫度、光、化學物質等 harsh 刺激，易損傷生物組織，且部分材料在濕度＞30% 時即提前收縮，無法正常使用。

  為解決上述問題，濟大王鵬博士/復旦大學李卓教授/浙理工孟垂舟教授/河工大張爭艷教授近日聯合在Advanced Functional Materials上發表了題為“Transparent Conductive Hydrogels with Water-Responsive Contractility, Repairability, and Biocompatibility for Visible Conformal Shape-Adaptive Tissue-Adherent Monitoring”的研究成果。論文第一作者是河北工業大學機械工程學院孫桂芬博士，該成果為設計了一種具備水響應收縮性、可修復性與生物相容性的透明導電水凝膠，其采用PEG-α-CD/PEO 與 PVA 雙交聯網絡結構，添加 [BMIm] BF4 作為離子導體、甘油 - 水二元溶劑提升性能；該水凝膠在濕度低于 65% 時穩定無提前收縮，遇二元溶劑可在 2 分鐘內快速收縮，擁有 635% 的寬檢測范圍、50ms 快速響應及 1.81MPa 機械強度，經體外細胞毒性測試（HEK293 細胞存活率超 84.39%）和體內皮下植入實驗驗證生物相容性，可貼合皮膚、心臟、肌腱等軟組織，實現生理信號（如 ECG）和運動信號的可視化 conformal 形狀自適應監測，為下一代智能生物電子設備提供新范式。

圖 1：凝膠的制備與工作機理。圖a：水凝膠的結構示意圖。左邊是拉伸后的狀態，右邊是遇二元溶劑收縮、修復后的樣子，清晰展示了“拉伸 - 收縮 - 恢復”的循環過程。b：PEO 膜的拉伸變化（上）和 SEM 電鏡圖（下）。未拉伸時 PEO 是球晶結構（左），拉伸后球晶變形、分子鏈定向排列（中），再拉伸則形成纖維橋（右）。c-d：分子動力學模擬結果。圖c 是拉伸水凝膠在二元溶劑中的狀態，能看到分子排列變松散；d 顯示，浸泡后體系的氫鍵數量大幅增加，觸發收縮。e：分子擴散系數變化隨著浸泡時間增加，擴散系數下降，說明分子運動變慢，收縮速度會逐漸平穩，不會 “一縮到底”。圖f：2D 廣角 X 射線衍射（WAXS）圖案。g：多次浸泡 - 干燥后的重量變化。h：透光率曲線（左）和實物圖（右）。i-j：拉伸性（左）和 conformal 包裹（右）。

圖 2 凝膠的超收縮表征。a：和傳統水凝膠的對比實驗。b：6 次拉伸 - 修復循環的應力 - 應變曲線。c：SEM 電鏡圖（上：表面，下：截面）。d：收縮率與拉伸率的關系。e：和其他收縮材料的濕度穩定性對比。f：不同濕度下的收縮率。g：貼合豬肉的實物圖。h：貼皮膚的測試。i-j：傷口閉合實驗。圖 2i 是貼在人皮膚上，遇水收縮后讓皮膚位移達 25%；圖 2j 是在豬皮傷口上的測試：滴加溶劑后，80 秒內傷口就明顯閉合（右），k 的軌跡圖則記錄了傷口尺寸的變化。

圖3凝膠的自愈性能表征。a：保水性曲線。b：修復狀態對比。脫水水凝膠泡純水（左）20 分鐘后仍有些干硬，泡二元溶劑（右）則完全恢復柔軟。c：重量恢復曲線。泡二元溶劑的水凝膠重量恢復更慢但更穩定，因為甘油會和水競爭結合位點，避免水分快速流失。d：多次干燥-修復的應力-應變曲線。e：6 次失水-修復循環的性能變化。f：1、3、5 次修復后的應力-應變曲線。g：加載-卸載滯后曲線。隨著應變增加，滯后環變大，說明水凝膠能吸收能量，且多次修復后滯后環形狀一致。h：傳感穩定性對比。

圖4凝膠的生物兼容性表征。a：細胞毒性測試（活 / 死染色）。b：CCK-8 細胞活力定量。c：小鼠皮下植入示意圖（左）和手術圖（右）。d：H&E 染色（上）和 Masson 三色染色（下）。e-f：CD68 免疫熒光染色。CD68 是巨噬細胞標志物（紅色），植入組的紅色熒光強度和對照組接近（圖 4f），說明巨噬細胞很少聚集 —— 進一步證明水凝膠不會引發強烈免疫反應。

圖5凝膠的應用。a：體表 ECG 監測 setup。b：多次修復后的 ECG 信號。c：應變傳感靈敏度曲線（gauge factor，GF）。d：心外膜 ECG 監測 setup。e：不同心臟狀態的 ECG 信號。f: 肌腱植入 setup。水凝膠貼在小鼠跟腱上，用縫線固定（右），連接導線記錄信號（左）—— 用于運動功能監測。g：肌腱運動傳感信號。h：15 天植入后的傳感穩定性。3 天、6 天、9 天、12 天、15 天的信號幾乎重合，沒有衰減 —— 證明水凝膠在體內長期使用仍穩定，可用于肌腱修復的長期監測。

  綜上所述，該工作成功開發出集水響應收縮性、可修復性、生物相容性、透明性與導電性于一體的PEG-α-CD/PEO/PVA/IL/G 水凝膠，解決了傳統材料多性能難以兼顧的問題；該水凝膠在體表生理信號監測、體內器官運動與病理信號監測中表現優異，為健康管理、臨床診斷、組織工程領域的下一代智能生物電子設備提供了創新范式與技術支撐。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202522718s

作者介紹

王鵬：濟南大學機械工程學院教師，碩士生導師，校聘青年英才崗，研究方向為柔性傳感器，累計以第一作者/通訊作者發表論文42篇（包括23篇中科院一區Top期刊，2篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors等高水平期刊；累計撰寫、申請發明專利17項，其中6項已授權，其余均在實質審查中；擔任Exploration期刊青年編委；中國微米納米學會高級會員；受邀擔任國際SCI檢索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等的審稿人；連續兩年獲得2021年、2022年博士研究生國家獎學金，2022年獲得天津市創新獎學金，2023年獲得河北省優秀畢業生，2018年獲得天津市王克昌文化科技獎學金，2024年獲得河北工業大學優秀博士論文，2022年獲得河北工業大學學術之星，2022年獲得河北工業大學三好學生榮譽稱號，連續兩年獲得2021年、2022年河北工業大學機械工程學院十佳學術之星榮譽稱號。個人主頁：

https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

李卓：復旦大學材料科學系青年研究員、博士生導師，她的研究興趣為高分子復合材料在電子封裝和柔性電子領域的應用。2007年本科畢業于同濟大學，2009年和2014年分別在美國弗吉尼亞理工大學和佐治亞理工學院獲得碩士和博士學位。畢業后先后在美國塞拉尼斯公司和中石油休斯敦技術研究中心開展高分子材料研發工作，并于2016年9月加入復旦大學。回國后先后入選國家海外高層次引進人才青年項目、上海市浦江人才計劃、上海市青年啟明星科技計劃等多個人才項目。在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater.等期刊共發表論文40余篇，引用2000余次。她是IEEE ECTC和IEEE ICEPT 兩個國際會議的技術委員會委員，以及IEEE 女性工程師協會上海分會的副主席，并獲得2020年度IEEE 電子封裝協會杰出青年工程師獎。

孟垂舟：浙江理工大學材料科學與工程學院特聘教授，博士生導師。國家海外高層次人才引進計劃青年特聘專家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯僑界專家委員會委員。清華大學物理學學士、博士學位，曾任職美國普渡大學生物醫學工程系博士后研究員、美國IBM半導體研發中心高級工程師、新奧集團能源研究院石墨烯/儲能/能源新材料等技術中心主任。長期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉換與存儲、生物醫學傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設備、和健康護理裝備上的應用開發。

張爭艷：河北工業大學教授、博士生導師、元光學者，獲人社部高層次人才資助、河北省第三批青年拔尖人才、河北省“三三三人次工程”人才、天津市原131創新型人才、天津市優秀科技特派員，第十二屆校優秀教師、校優秀教學團隊帶頭人。獲河北省2023年度科技進步二等獎（第一）、河北省第七屆教學成果二等獎，主持國家基金、科技部重點研發計劃子課題等國家級項目4項、省部級項目6項、企業委托課題5項，發表SCI高水平論文20余篇，授權發明專利10余項。任河北省增材制造學會常務理事、全國高校機械制造教學研究會常務理事、全國高等學校制造自動化研究會理事、中國機械工程學會增材制造技術分會青年委員、《天津科技大學學報》編委、《Additive Manufacturing Frontiers 》期刊青年編委、《機械設計》期刊青年編委。