《AFM》华中科技大学吴豪、谢斌：定向排汗水凝胶混合电子系统

近日，国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上刊发华中科技大学吴豪团队在柔性电子医工交叉领域的新成果，题为“ A Nepenthes-inspired hydrogel hybrid system for sweat-wicking electrophysiological signal recording during exercises ”( 可定向排汗的仿生猪笼草水凝胶混合电子系统用于运动电生理监测) ，华中科技大学在读博士生杨淦光为论文第一作者，硕士生兰兆刚为共同第一作者，吴豪教授为通讯作者, 谢斌博士为共同通讯作者。

实时监测运动过程中的电生理信号（如心电图、肌电图）具有重要的临床意义。例如，心电图提供对心脏健康状态的即时反馈，有助于发现潜在的心律失常和心脏异常；肌电图可用于显示肌肉活动水平和功能状态，从而评估肌肉疲劳。全球每年有超过400万在运动过程中发生心脏骤停和肌肉损伤的病例，并呈不断增加的趋势。实现心电、肌电等电生理信号的高精度监测，对促进训练安全、降低损伤风险至关重要。尽管已开发了用于检测电生理信号的商业电极/系统，但由于固有的缺陷，如拉伸性差、高模量和低粘附性，刚性器件与皮肤的模量不匹配导致无法保型贴附，穿戴不适。此外，运动过程中，皮肤界面处的汗液分泌会导致商用器件粘性显著下降，同时长时间的汗液残留易导致皮肤刺激，实际应用受到严重限制。因此，如何保证电极系统的穿着舒适性、无缝集成、减轻汗液干扰，同时实现高保真信号采集成为运动过程中电生理监测的研究关键。

近日，华中科技大学吴豪团队开发了一种可定向排汗的仿生猪笼草水凝胶混合电子系统，用于构建紧密贴附和快速定向排汗水凝胶/皮肤界面，实现运动过程中高保真度电生理信号采集。通过对聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAAC)基双网络水凝胶进行粘性基团修饰和调控交联条件，水凝胶界面层黏性强度提高6倍。并采用倒模-冻融聚合工艺制备仿生猪笼草微结构，水凝胶层的液滴定向传输速度提高4.5倍。进一步将仿生猪笼草水凝胶组装到金修饰的聚酰亚胺(PI)基底上以制备仿生猪笼草水凝胶(NIH)电极。由于仿生猪笼草微结构的定向汗液输送作用，在持续人工汗液注入过程中，水凝胶电极始终与皮肤保持稳定贴附。此外，与商用电极和无水凝胶修饰电极相比，NIH电极在干燥和出汗状态下表现出最低的接触阻抗。在复杂工况下(如振动和出汗)，NIH电极依然能够采集高质量的肌电信号，信噪比始终大于19 dB。研究人员进一步将NIH电极组装到柔性电路中，制备无线仿生猪笼草水凝胶混合电子系统。由于硅胶软连接和镂空结构设计，该系统具有优异可拉伸性同时可有效避免电极接口处应力集中。在运动状态下，该系统成功实现了高保真心电图波形和心率的实时采集，且相对误差小于2.6%，验证了NIH系统在高精度电生理监测中的应用潜力。

图1. 仿生猪笼草水凝胶混合电子系统的设计。

图2. 水凝胶界面层的力学性能

图3. 仿生猪笼草水凝胶的设计原理和表征。

图4. 仿生猪笼草水凝胶电极性能评估

图5. 用于无线心电监测的仿生猪笼草水凝胶混合系统。

相关工作得到了国家自然科学基金项目(52350121,U2013213, 92048302, 52188102)以及华中科技大学机械科学与工程学院STAR项目的支持。

相关链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417841

来源：高分子科学前沿