广东以色列理工学院王燕副教授《自然·通讯》：超薄有机水凝胶纳米膜电极，实现长期健康监测

水凝胶因其柔软性、含水量和可调化学性质与活体组织相似，成为下一代皮肤贴合生物电子学的基础，用于持续健康监测和早期疾病干预。然而，水凝胶基表皮电子设备必须满足两个苛刻但常冲突的要求：皮肤适应性，即能够与皮肤无缝贴合、呼吸、粘附和移动；以及环境适应性，即在冷冻、干燥或真空条件下保持机械完整性、离子导电性和生物相容性。

广东以色列理工学院王燕副教授课题组开发了一种392纳米厚的有机水凝胶纳米膜电极，模仿皮肤变形，提供高气体/水蒸气/汗液渗透性和热传递性，并在各种极端条件下保持功能。该电极由京尼平交联的明胶基质、聚氨酯纳米网和甘油/氯化钠/单宁酸电解质组成，具有超低弯曲刚度、高拉伸性、韧性、粘附性和耐久性。通过溶剂替换策略抑制冰形成和蒸发，在极端条件（-80–150°C, 2%相对湿度, 真空）和200天环境存储下保持物理和电气性能。该电极连续9天记录稳定心电图，具有优异的抗运动和汗液伪影能力。相关论文以“Sub-400 nanometer-thick skin and environment adaptable organohydrogel nanofilm epidermal electrode”为题，发表在

Nature Communications

这种亚400纳米厚的有机水凝胶纳米膜通过逐步浸涂聚氨酯纳米网制备，厚度仅392纳米，透明度高达90.5%，能够无缝贴合人体皮肤表面和指纹复制品。其内部结构包含聚氨酯纳米网、明胶三螺旋和共价交联，赋予其多功能适应性：皮肤适应性包括气体/水蒸气/汗液渗透性、热舒适性和动态皮肤顺应性；环境适应性包括抗冻、耐热、抗脱水、真空稳定性和抗菌性能。

图1 | 亚400纳米厚、适应性有机水凝胶薄膜 A 有机水凝胶纳米膜的横截面SEM图像。比例尺，2微米。 B 有机水凝胶纳米膜从人体皮肤剥离的照片，突出其灵活性和贴合性。比例尺，2厘米。 C 显示纳米膜与人体皮肤表面无缝贴合的显微镜图像。比例尺，500微米。 D 有机水凝胶纳米膜内部结构的示意图，包括聚氨酯纳米网、明胶三螺旋和共价交联。 E 有机水凝胶纳米膜贴合指纹复制品的SEM图像，说明其超薄结构和高顺应性。插图显示其纳米网增强结构的光学显微镜图像。比例尺，5微米。 F 纳米膜多功能适应性的示意图总结。皮肤适应性包括气体/水蒸气/汗液渗透性、热舒适性和动态皮肤顺应性。环境适应性包括抗冻、耐热、抗脱水、真空稳定性和抗菌性能。

在机械性能方面，有机水凝胶纳米膜可支撑7.9克重量，是其自身重量的1100倍。随着京尼平含量增加，拉伸强度提高，在60毫克时达到2.2 MPa，断裂伸长率为166.3%。聚氨酯纳米网增强使拉伸强度提高22倍，断裂韧性提高163倍。电解质浸泡降低杨氏模量至1.3 MPa，与人体表皮匹配，弯曲刚度低至8.7 × 10⁻¹¹ nN·m，确保可靠皮肤顺应性。粘附测试显示，纳米膜与人体皮肤的粘附力为44 mN，面积粘附能为365.8 μJ cm⁻²，循环测试证实其耐久性。

图2 | 聚氨酯纳米网增强有机水凝胶的机械和粘附性能 A 有机水凝胶纳米膜支撑7.9克重量的照片。比例尺，2厘米。 B 不同京尼平含量的有机水凝胶薄膜的应力-应变曲线。 C 不同纳米网密度的聚氨酯增强有机水凝胶薄膜的应力-应变曲线。 D PU₀.₁-GH、PU₀.₁-GHGN和PU₀.₁-GHGNT的应力-应变曲线。 E 有机水凝胶纳米膜与代表性表皮电子设备和皮肤层的杨氏模量和弯曲刚度的Ashby式图。 F 用于量化人体皮肤粘附的粘附-分离测试示意图。 G PU₀.₁-GH、PU₀.₁-GHGN和PU₀.₁-GHGNT的粘附力-分离距离曲线。 H PU₀.₁-GH、PU₀.₁-GHGN和PU₀.₁-GHGNT的面积粘附能。

皮肤适应性测试表明，有机水凝胶纳米膜允许汗液快速渗透，薄膜越薄，渗透越快。与商业凝胶和PDMS膜相比，纳米膜在运动后温度变化可忽略，热舒适性高。空气渗透率和水蒸气传输率优异，在37°C时分别达到0.2 cm³ cm⁻² s⁻¹ cmHg⁻¹和3069.7 g m⁻² d⁻¹。阻抗测量显示，纳米膜覆盖的皮肤在运动后阻抗恢复基线，而商业凝胶脱落无法恢复。

图3 | 有机水凝胶纳米膜的皮肤适应性 A 定义人工汗液与薄膜之间接触角（θc）和三个界面张力（γLC、γSL、γSC）的杨氏方程图。 B 同时热和汗液传输的示意图：汗液饱和的皮肤（约100% RH, 37°C）驱动液体、蒸汽和热通过薄膜向较冷、较干的环境（25°C, 30% RH）流动，直到平衡。 C 接触角测量的实验设置。 D 商业凝胶、PDMS膜和不同厚度有机水凝胶薄膜上液滴的代表性快照，倒置液滴表示完全渗透。 E 显示负接触角的样品表示渗透性。 F 志愿者胸部三个贴片（商业凝胶、PDMS膜和有机水凝胶纳米膜）在跑步前和跑步10、20分钟后的红外图像。比例尺，2厘米。 G 从(F)提取的每个贴片下的温度升高（ΔT = Tc - Ts）。 H 有机水凝胶纳米膜的空气渗透率作为厚度和温度的函数。 I 不同厚度和温度的有机水凝胶薄膜的水蒸气传输率。 J 人体皮肤、有机水凝胶纳米膜覆盖皮肤和商业凝胶覆盖皮肤在20分钟跑步和100分钟休息期间的皮肤-电极接触阻抗。

环境适应性评估显示，有机水凝胶纳米膜在-80到20°C无冰晶形成，热分解起始温度达187.2°C。在极端条件下30天后重量保留≥92.7%，室温200天后保留96.3%。抗菌测试对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区分别为1.7和2.1 cm，杀灭效率≥99.3%。基准测试突显其在厚度、粘附性、重量保留、机械耐久性、抗菌性和空气渗透率的平衡性能。

图4 | 有机水凝胶纳米膜的环境适应性 A 逐步网络演化：物理交联的H水凝胶（明胶、水和甘油）；共价交联的GH水凝胶（添加京尼平）；溶剂交换的GHGNT有机水凝胶（水大部分被甘油/NaCl/TA替代）。 B H、GH和GHGNT水凝胶的DSC曲线。 C H、GH和GHGNT水凝胶的TGA曲线。 D 在四种恶劣条件（-80°C、150°C、2% RH和高真空）下30天后的重量保留，与PU₀.₁-GH在25°C储存1天比较。 E 有机水凝胶纳米膜的宽温度耐受性与其它适应性有机水凝胶的比较。 F 有机水凝胶纳米膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。 G 基准测试超薄表皮水凝胶在厚度、皮肤粘附性能、重量保留、机械耐久性、抗菌性能和空气渗透率方面的雷达图。

在健康监测中，有机水凝胶纳米膜电极在运动期间吸走汗液，保持粘附，提供清晰心电图波形，而商业凝胶电极汗液积聚、波形模糊并脱落。连续9天动态心电图监测显示波形形态无漂移，心率跟踪活动水平，信噪比稳定。α波脑电图监测在储存于极端条件后仍显示稳定10 Hz α节律。此外，纳米膜电极还能高保真捕获肌电图、运动传导速度、眼电图和事件相关电位P300。

图5 | 使用有机水凝胶纳米膜电极的汗液和运动伪影及长期健康监测 A 运动期间有机水凝胶纳米膜电极和商业凝胶电极在皮肤界面汗液传输的示意图比较。 B 在7.5 km h⁻¹跑步时由有机水凝胶纳米膜电极和商业凝胶电极记录的心电图。比例尺，1厘米。 C 9天动态心电图监测的时间线，覆盖办公、实验、洗漱、睡眠、用餐、休息和步行。 D 连续9天由有机水凝胶纳米膜电极获取的连续心电图监测。插图显示不变的波形形态。 E 使用有机水凝胶纳米膜电极在最初24小时的连续心电图监测（下部）和相应心率（上部）。放大面板突出在实验、用餐、步行、办公、洗漱和睡眠期间捕获的不同心电图波形。 F 在右乳突放置商业凝胶电极和有机水凝胶纳米膜电极用于α波脑电图监测。 G、I 在-80°C、150°C、2% RH、高真空储存30天和在室温200天后，由有机水凝胶纳米膜电极获取的闭眼α波脑电图。 H、J 对应于(G和I)的频谱图，确认稳定的10 Hz α节律。

这项研究证明，亚400纳米有机水凝胶纳米膜能将超薄形式与人体皮肤的高顺应性结合，在恶劣机械和环境应力下保持可靠。其韧性、渗透性、粘附性和环境抵抗力为舒适、长期的皮肤应用铺平道路，适用于北极医疗监测、太空服生物传感、冷链疫苗接种和高温工业设置。制造技术高效且可扩展，这种材料的韧性和多功能性有望重塑下一代软生物电子学的策略，推动个性化医疗发展。