东华大学张青红、侯成义《AFM》：用于可穿戴生物电子器件的皮肤涂抹防水生物水凝胶

电生理信号实现精确和实时监测，对提高人类的生活质量和生产效率至关重要。生物电电极是记录电生理信号的重要工具，也是人类与外部设备之间的重要通信途径。因此，它们对界面材料的组织相容性、无缝贴合性、导电性和生物相容性提出了很高的要求。

尽管人们在开发生物电电极方面做出了巨大努力，但它们仍然无法避免受水环境的影响，水环境会降低附着力、增加界面阻抗，从而降低生物电电极的性能。此外，将生物电电极作为可涂抹的电极集成到衣物中，对于可穿戴、无感和无缝等方式捕捉电生理信号仍是一个重大挑战。

因此，必须：（1）开发一种既能防水，又能在水环境中保持稳定的粘合性、电学和机械特性的生物电极，而且这种生物电极还应具有对服装和皮肤形状的适应性，以用于可穿戴式电生理信号检测；（2）了解新的机制在防水生物电极中发挥的作用。

最近，东华大学张青红、侯成义研究员团队，在《Advanced Functional Materials》上发表了题为《On-Skin Paintable Water-Resistant Biohydrogel for Wearable Bioelectronics》的文章。该研究提出了一种可皮肤涂抹的防水生物水凝胶，通过由水引发的氢键致密化作用实现了水凝胶的耐水性（图1）。这种水凝胶利用动态氢键打破了现有生物电电极的形态限制，通过使用乙醇动态调节聚乙烯醇和单宁酸之间的氢键网络，水凝胶的预聚液可在两分钟内转化为水凝胶薄膜，并与皮肤和衣物形成无缝界面。

图1可皮肤涂抹的防水生物水凝胶

致密的氢键连接是耐水性和粘附性增强的原因。当这种水凝胶处于水环境中时，游离的单宁酸会被诱导与聚乙烯醇形成更致密的氢键网络，从而形成防水层。此外，更紧密的氢键结构可增加剥离时的能量消耗，从而提高粘附性能。而致密化的氢键网络也增强了Grotthuss机制，从而增强了该水凝胶在水环境中的导电性。这种方法有望普适性用于生产防水生物电电极（见图2）。

图2 由水引发的防水与粘性、导电性增强机制

该团队还基于该种水凝胶开发了一种可穿戴的多通道生物电电极方法，可直接应用于衣物。与现有的医疗方法相比，使用该种水凝胶可将信噪比提高83.5%（见图3）。

图3 基于该种水凝胶的可穿戴多通道生物电监测应用

东华大学博士生罗加贝、孙川越为论文共同第一作者，东华大学张青红、侯成义研究员为通讯作者。该研究得到东华大学杰出青年教授计划、中央高校基本科研业务费专项资金、东华大学研究生创新基金等资金支持。

近年来，东华大学张青红、侯成义研究员在健康监测纤维织物、钙钛矿太阳能电池、光电子纤维器件、皮肤界面材料等领域取得了系列进展（Science 2024, 384,74. Science, 2022, 377, 815 (perspective). Science Advances, 2024, 10, eadk4620. Nature Communications, 2024, 15, 2374. Nature Communications, 2019, 10, 5541. Nature Communications, 2019, 10, 868. Advanced Materials, 2024, 36, 202310102. Advanced Materials, 2021, 33, 2104681. Advanced Materials, 2021, 33, 2100782. Advanced Materials, 2021, 33, 2007352. Advanced Energy Materials, 2024,14, 2303666. ACS Nano 2024, 18, 5, 4008. ACS Nano, 2022, 16, 19373. ACS Nano, 2022, 16, 12635. ACS Nano, 2022, 16, 2188.），长期欢迎材料、信息、纺织、服装等专业的博士后、博士研究生、硕士研究生加入！

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202400884

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