中山大学周建华ACS Nano：原位成型水凝胶表皮生物电子，可用于健康、运动的无创监测！

作为人体面积最大的器官，人类皮肤会释放出各种体现人体健康状态的生物化学信号。因此，研发有效地获取这些生物化学信号的表皮传感器对监测人体健康有着十分重大的意义。现阶段，已经有各式各样的生物表皮传感其被相继报道。就可穿戴生物电子传感器而言，需要有柔软和灵活的传感接口，该接口将在高度皱纹和弹性的皮肤上建立高度贴合的界面，以促进皮肤信号的收集和传输。然而，目前设计的生物皮肤传感器的主要困难还在于相对刚性的生物表皮电子传感器与柔软生物表皮之间的实际非完全贴合接触，而这可能会导致关键信号的不良衰减或丢失。此外，在人体运动过程中导致的皮肤变形，而皮肤传感器无法紧密贴合皮肤而导致相对界面滑动，使得传感器对皮肤的信号收集造成严重影响。

为了克服上述挑战，现有主要解决方案是在不规则皮肤表面使用高度粘合的表皮电子元件。传统的胶粘电极虽然可以在复杂的生物皮肤表面上建立宏观的贴合界面，但是由于皮肤表面微米级的皱纹和孔隙等，传感器与皮肤之间仍然存在微米级甚至更大的间隙。一些具有网格或锯齿形微观结构的相对较薄的柔性表皮电子传感器，例如具有纳米级厚度的电子纹身，比传统的胶粘电极具有更好的贴合性和灵活性，因此可以与皮肤微观结构保持完美一致。然而，这种厚度为亚微米级的薄表皮生物电子传感器极难制造，成本也极高。

近期，中山大学周建华团队联合哈佛大学Xingcai Zhang开发出了一种可以紧密贴合皮肤的电子传感器。他们在皱纹皮肤表面原位形成高度水凝胶生物电子传感器，通过近红外（NIR）光应发水凝胶前驱体水溶液的快速热交联。这种复合电子材料具有理想的导电性、可调节的机械和生物粘附性能以及优异的生物相容性。而通过原位形成的水凝胶电极或电子传感器设备（ISF-HE）不管水凝胶界面厚度和皮肤变形如何，都可以与皱纹皮肤保持优异的一致性。因此，这种原位表皮水凝胶应变传感器具有相对较高的灵敏度，快速响应（<200 ms）和长期耐久性（>500次循环），可以准确监测大规模或微小的人体运动。高度贴合的水凝胶电极 -皮肤界面将表现出超低的界面阻抗，比普通粘性水凝胶电极和商用的银|氯化银电极阻抗低近一个数量级。此外，这种原位表皮水凝胶应变传感器还可以实时收集高质量的表面肌电图（sEMG）信号，信噪比（SNR）水平提高，信号串扰最小化，可以抵抗运动过程中皮肤变形的干扰。此外利用该水凝胶传感器成功实现了运动过程中同时监测人体运动和sEMG信号，用于有效评估运动员的典型射击过程和随后的指导训练。该工作以题为“In Situ Forming Epidermal Bioelectronics for Daily Monitoring and Comprehensive Exercise”的文章发表于ACS Nano上。

文章要点

复合水凝胶的机械性能首先通过将PEGDA和CNT引入纯凝胶网络来改善。PEGDA提供了更多的交联位点以增加水凝胶网络的交联密度，而无机CNT纤维则与聚合物分子链很好地缠绕提升力学性能。

复合水凝胶将表现出中等范围的可逆拉伸性，经过多次循环拉伸试验后，复合水凝胶的弹性耗散逐渐稳定在较低水平，显示出其持久的抗疲劳性能。所制备的复合水凝胶在弹性模量方面将与人体皮肤相似。

为了增强ISF-HE复合材料的生物粘附性能，在分子链上引入具有大量儿茶酚结构的PDA预聚物进入水凝胶网络。因此，所制备的ISF-HE复合材料表现出优异的湿组织粘附性能，并且在弯曲，扭曲和拉伸后仍稳定地粘附在湿猪皮上而不会脱落。

受益于所制备的ISF-HE的理想柔韧性和弹性诱导的电阻变化，它们可以被用作电阻型应力应变传感器。随着弯曲角度从0°增加到90°，水凝胶应变传感器可以有利地监测食指的弯曲运动。

快速和连续的弯曲动作的电信号可以很容易地被区分，弯曲响应时间低至200 ms。在短时间内（超过500次）弯曲几次循环后，传感器在0°和90°弯曲角下的电流响应仍然在初始值附近保持基本稳定。

ISF-HE和银|氯化银电极肌肉活动在10 N·m扭矩内分别测量的同步sEMG信号。结果表明，ISF-HE记录的sEMG信号的测量限值至少与1.5 N·m扭矩的肌肉活动相当，而银|氯化铝电极在4.5 N·m扭矩的肌肉活动下测量的sEMG信号显示出明显的信号损失。

采用不同接触面积的ISF-HE实时采集人前臂长屈肌（FPL）、亚指屈肌（FDS）和尺屈肌（FCU）的sEMG信号，随着ISF-HE的接触面积减小，FPL和FCU肌肉的串扰率逐渐降低，最终达到可忽略不计的水平，充分证明了所制备的ISF-HE在保持高信噪比水平的同时最大限度地减少信号串扰方面的优势。

利用ISF-HE和银|氯化银电极同时收集的肘关节运动和肱二头肌的实时sEMG信号。ISF-HE在小角度下对接头弯曲运动更敏感，而银|氯化铝电极在弯曲5°时出现sEMG信号损失。此外，由于肌肉活动引起的sEMG和运动信号的突然波动，不难明确区分动作和动作发生时间，例如在射击过程中开始瞄准和触发。以上分析具体证明了ISF-HE用于实时射击过程监控的可行性。

来源：高分子科学前沿

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