《Science子刊》广东以色列理工王燕：超薄可穿戴健康监测水凝胶！

长期可穿戴健康监测的超薄、透气、抗冻的水凝胶电极对于早期疾病诊断、个性化医疗和长期健康监测具有重要意义。水凝胶因其能够模拟生物组织的特性，在生物电子学领域得到了广泛应用，被用于开发生物物理、生化和电生理传感器、能量存储设备、自修复电路、治疗系统和软体机器人等。然而，现有的水凝胶电极存在一些局限性，如机械脆弱性、快速脱水、冻结问题以及舒适性问题。这些问题限制了水凝胶电极在实际应用中的可靠性和舒适性，尤其是在长期健康监测中。

广东以色列理工学院王燕团队开发了一种2.7微米厚的超薄、透气、抗冻水凝胶电极。这种电极通过使用聚氨酯（PU）纳米网状结构增强的明胶水凝胶，实现了极低的弯曲刚度，提高了与皮肤的贴合性。同时，通过添加甘油和氯化锂（LiCl），实现了水凝胶的抗冻和抗脱水性能。相关内容以“A 2.7-μm- thick robust, permeable, and antifreezing hydrogel electrode for long- term ambulatory health monitoring”为题发表在《

Science Advances

【主要内容】

1. 超薄设计与机械性能：

通过将聚氨酯（PU）纳米网状结构嵌入明胶水凝胶中，研究团队成功制备了2.7微米厚的超薄水凝胶电极。这种设计显著降低了水凝胶的弯曲刚度，使其能够紧密贴合皮肤表面，提高了佩戴的舒适性。实验结果表明，这种超薄水凝胶电极具有238.4%的拉伸应变和1000次循环的耐久性，显示出优异的机械性能。

图1 用于长期动态健康监测的超薄水凝胶

图2 合成与表征

2. 抗冻和抗脱水性能：

通过添加甘油和氯化锂（LiCl），研究团队实现了水凝胶的抗冻和抗脱水性能。实验结果表明，这种超薄水凝胶在-90°C的超低温下仍能保持其机械性能和电导率，且在12天内仅损失2%的水分，显示出卓越的抗冻和抗脱水能力。

3.透气性和水蒸气透过率：

超薄设计和纳米网状结构显著提高了气体（如空气、氧气和二氧化碳）的透过率和水蒸气的传输率。实验结果表明，这种超薄水凝胶的气体透过率分别是3.0×10^4、3.2×10^4和3.6×10^4 GPU，水蒸气透过率达到1252.3 g/m^2/day，显示出优异的透气性和水蒸气透过率。

图3 最小化运动和汗液干扰，实现长期健康监测

4.生物相容性和抗菌性能：

通过细胞毒性测试和抗菌测试，研究团队验证了这种超薄水凝胶电极的生物相容性和抗菌性能。实验结果表明，这种水凝胶在7天内显示出96.7%的细胞活性，且对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）具有显著的抗菌效果，显示出良好的生物相容性和抗菌性能。

5.电生理信号监测：

通过心电图（ECG）和脑电图（EEG）监测，研究团队验证了这种超薄水凝胶电极在长期使用中的稳定性和高保真度。实验结果表明，这种超薄水凝胶电极在8天内连续佩戴后，皮肤接触阻抗保持在55 kΩ以下，且在各种日常活动中（如步行、跑步、进食、睡眠等）均能稳定记录高质量的ECG和EEG信号，显示出卓越的运动和汗液抗干扰能力。

图4 高保真脑电图监测

【全文总结】

这种新型超薄、透气、抗冻水凝胶电极在长期可穿戴健康监测中表现出色，克服了现有水凝胶电极的局限性。其超薄设计和纳米网状结构显著提高了与皮肤的贴合性和佩戴舒适性，同时通过添加甘油和氯化锂实现了卓越的抗冻和抗脱水性能。此外，这种超薄水凝胶电极在气体透过率和水蒸气透过率方面表现出色，确保了长期佩戴的舒适性和健康性。

http://10.1126/sciadv.adt2286