仿生水凝胶，登上顶刊Adv. Sci.封面：能监测男性勃起，也能监测孕妇宫缩！

在家庭医疗健康监测领域，尤其是涉及隐私敏感区域的生殖健康监测中，现有设备普遍存在监测指标单一、佩戴不适、操作复杂、信号干扰严重等问题。孕妇需要监测腹温与腹围应变以评估胎儿发育与早产风险，而男性勃起功能障碍则可能是心血管疾病与糖尿病的早期标志。然而，当前针对这两类隐私敏感状况的监测手段仍主要依赖侵入式设备或主观问卷，缺乏适用于家庭场景的多模态、高生物相容性、动态监测平台。

成果登上内封底

针对上述挑战，西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授、李迎春博士联合西北大学刘彦楠副教授团队受蜻蜓翅膀微观结构启发，开发出一种超薄、高强度、可回收的Janus水凝胶电子皮肤（PU-GBPC）。该传感器具备双模态信号监测能力（应变与温度），并实现了信号的内在解耦，避免了复杂算法带来的高功耗问题。其厚度仅为7.15微米，韧性高达55.62 MJ/m³，灵敏度优异（应变系数GF=2.52，温度系数TCR=3.5% °C⁻¹），并具备抗菌、透明、抗冻、可回收等综合性能，已成功应用于孕妇腹部监测与男性勃起功能监测。相关论文以“A Microfiber-Reinforced Janus Hydrogel E-Skin With Recyclable Feature for Multimodal Sensing and Gender-Specific Physiological Monitoring”为题，发表在Advanced Science上。

示意图1 | PU-GBPC水凝胶传感器的灵感来源、制备流程、工作机制、性能特点及应用场景示意图。

研究团队通过将聚氨酯（PU）微纤维与明胶基水凝胶复合，构建了一种“刚性框架-柔性基体”一体化结构。该材料正面为水凝胶主导、纤维完全嵌入，背面为纤维主导、部分水凝胶渗透，形成了非对称粘附的Janus结构（图1b-d）。该水凝胶电子皮肤具有良好的皮肤共形能力，可嵌入指纹纹理中（图1a）。其透光率在可见光范围内高达98.9%（图1e），在37°C环境下30天的失水率低于8.5%（图1f），水蒸气透过率为50.66 g·m⁻²·day⁻¹（图1g），表现出优异的透气和抗干燥性能。

图1| PU-GBPC水凝胶传感器的结构表征。 a) 水凝胶在皮肤上的优异共形能力。 b) 凝胶正面及其局部放大的SEM图像。 c) 纤维背面及其局部放大的SEM图像。 d) 横截面SEM图像。 e) 在300–800 nm波长范围内的透光率，插图为透光率光学照片。 f) 37°C恒温环境下30天的失水率。 g) PU-GBPC水凝胶传感器与对照组在连续12小时内的透气性。

在力学性能方面，研究发现静电纺丝时间为6分钟、纤维质量分数为70%时，PU-GBPC水凝胶实现了最佳的纤维-凝胶互穿结构，韧性高达55.62 MJ/m³（图2a-d）。该材料可承受400克水瓶的重量（图S12），并具备优异的抗穿刺性能（图2e）。与纯水凝胶相比，复合材料的力学性能提升了78倍，充分满足了反复拉伸监测场景（如孕妇腹部膨胀、男性勃起状态）对材料的力学要求。

图2| PU-GBPC水凝胶传感器的力学性能。 a) 不同纺丝时间下的应力-应变曲线。 b) 不同纺丝时间下的韧性对比。 c) 不同纤维质量分数下的应力-应变曲线。 d) 不同纤维质量分数下的韧性对比。 e) PU-GBPC复合水凝胶具有优异的抗穿刺性能。 f) 不同组分的应力-应变曲线。 g) 不同组分水凝胶的韧性对比。 h) 内部网络拉伸示意图。

Janus结构赋予了该水凝胶传感器非对称的粘附能力。其凝胶面通过氢键与静电作用与皮肤形成强粘附，而纤维面则因低表面能与微粗糙结构表现出低粘附性（图3a-e）。该传感器可在不同基底（塑料、气球、泡沫、金属）上实现可控剥离（图3f-g），双面水接触角差异显著（图3h），有效避免了对隐私区域外部表面的过度粘附干扰信号采集。

图3| PU-GBPC水凝胶传感器的Janus特性。 a) PU-GBPC水凝胶传感器的粘附机制示意图。 b) 粘附测试的搭接剪切示意图。 c) 凝胶面在不同基底上的搭接剪切位移与力分布。 d) 纤维面在不同基底上的搭接剪切位移与力分布。 e) PU-GBPC在滤布、纸张和猪皮上的非对称粘附能力。 f, g) PU-GBPC纤维面粘贴在塑料板上，凝胶面在塑料板、气球、泡沫板、金属板上的剥离过程。 h) PU-GBPC水凝胶传感器双面的水接触角。

在生物相容性与环保性方面，PU-GBPC水凝胶与L929细胞共培养72小时后细胞存活率良好（图4a-b），连续佩戴24小时无皮肤刺激（图4c），溶血率极低（图4d），并对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌表现出显著抑菌效果（图4e-g）。更重要的是，该水凝胶可通过60°C水中浸泡1小时实现可回收再生，回收后力学性能完全保留，导电性略有下降但仍具良好性能（图4h-k），为电子皮肤的可穿戴环保设计提供了新路径。

图4| PU-GBPC水凝胶传感器的生物相容性与可回收性。 a) PU-GBPC与L929细胞共培养24、48、72小时的活/死染色图像。 b) PU-GBPC与L929细胞共培养24、48、72小时的细胞存活率。 c) 连续佩戴24小时后PU-GBPC与商用电极片的皮肤状况。 d) PU-GBPC水凝胶传感器的溶血率。 e) GBPC与PU-GBPC与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌共培养12小时后的细菌形态。 f) GBPC与PU-GBPC与大肠杆菌共培养12小时的存活率。 g) GBPC与PU-GBPC与金黄色葡萄球菌共培养12小时的存活率。 h) PU-GBPC水凝胶的回收过程示意图。 i) 回收后PU纤维浸泡与干燥后的外观。 j) 回收前后PU-GBPC力学性能对比。 k) 回收前后PU-GBPC导电性能对比。

在温度传感性能方面，PU-GBPC水凝胶在-80°C仍保持柔韧性，室温导电率为0.06 S/m（图5a）。其电阻随温度升高而降低，表现出负温度系数特性，在10–25°C范围内TCR为3.5% °C⁻¹（图5b）。热响应时间为2.65秒（图5c），可精确分辨0.1°C的温度变化（图5e-f），并在连续注水测试中表现出快速响应能力（图5g）。在20–40°C循环测试中信号稳定（图5h），且在100%应变下循环500次后TCR几乎无衰减（图5i），展现了优异的动态热传感稳定性。

图5| PU-GBPC水凝胶传感器的温度传感性能。 a) 不同温度下的电导率变化。 b) 相对于温度的负电阻变化。 c) 接触热源时的热响应恢复时间，插图为粘贴在烧杯壁上的PU-GBPC。 d) 使用不同温度（30°C与40°C）吹风机进行高保真热传感测试。 e) PU-GBPC在连续微小温度变化（ΔT=1°C）下的ΔR/R₀。 f) 人体体温监测范围内的高分辨率（ΔT=0.1°C）检测。 g) 连续注入热水过程中的电阻响应曲线。 h) 10个循环（20–40°C）中的稳定可重复温度响应，插图为20°C与40°C下的红外热像图。 i) 在0、200、500次100%应变循环后的TCR。

在应变传感性能方面，该传感器在0–600%应变范围内具有高度线性响应（GF=2.52，R²=0.99）（图6a），响应与恢复时间分别为106 ms与204 ms（图6b），可检测0.1%微小应变（图6c）。不同应变水平、频率和2000次循环拉伸测试均表现出稳定响应（图6d-g）。此外，扭转与弯曲对信号干扰极小（图6f），且在20–40°C体温范围内温度对应变信号影响甚微（图6h）。与现有水凝胶传感器相比，PU-GBPC在超薄、高韧、高灵敏、抗冻、可回收等方面具有综合优势（图7）。

图6| PU-GBPC水凝胶传感器的应变传感性能。 a) 相对电阻幅值与应变的关系。 b) 应变发生时的响应-恢复时间。 c) 0.1%–4%应变下的电阻变化率。 d) 20%–100%应变下的电阻变化率。 e) 相对电阻幅值与应变的关系。 f) 静止、扭转、弯曲、拉伸条件下的相对电阻变化率。 g) 2000次50%拉伸循环中的实时电阻变化。 h) 20°C至40°C及200%拉伸应变下的ΔR/R₀。

图7| PU-GBPC水凝胶传感器与其他文献报道水凝胶传感器的综合优势对比。

在人体多尺度力监测应用中，该传感器可清晰检测颈动脉脉搏（图8a）、面部表情（微笑、皱眉）（图8c）、颈部点头与转头（图S28）、手指与手腕关节弯曲（图8d-e），并实现五指手势识别与摩斯密码信号编码（如“XDU”）（图8f-h）。在低温环境下，该传感器还可用于机械手抓取物体与手势识别（图8i），展现了在极端环境下的强适应性。

图8| PU-GBPC水凝胶传感器在不同应用场景中的信号变化。 a) 传感器检测到的颈动脉信号。 b) 人体不同部位的电信号。 c) 微笑时面部肌肉的电信号。 d, e) 腕关节与指关节的电信号。 f) 26个字母的摩斯电码表。 g) 信号编码示意图。 h) “XDU”对应的电信号。 i) 低温环境下机械手抓取不同形状物体时五指的电阻信号变化。

在性别特异性生理功能监测方面，研究团队将PU-GBPC水凝胶与柔性电路和蓝牙模块集成，构建了双模态信号采集系统（图9a）。针对孕妇腹部监测，设计了内外双环结构：外环测温，内环测应变（图9b）；针对男性勃起功能监测，采用上下双环结构（图9c）。有限元仿真与实验验证了该结构应变与温度信号的有效解耦（图9d-f）。在24小时孕妇腹部温度监测中，非孕妇、早孕与晚孕志愿者表现出显著不同的温度节律（图9g）；1小时连续应变监测中，传感器可区分打喷嚏、哈欠、笑声、胎动与宫缩等不同力学特征（图9h）。在男性勃起功能监测中，正常、心因性与器质性ED患者表现出不同的应变-温度协同变化特征（图9i-k），为ED分型诊断提供了新的无创监测手段。

图9| PU-GBPC水凝胶传感器在性别特异性生理功能监测中的应用。 a) 智能性别特异性生理功能监测系统的等效电路图。 b) 用于孕妇腹部的蛇形环结构。 c) 用于监测阴茎勃起状态的环形结构。 d) 蛇形传感器与环形传感器在球体与圆柱体上应力分布的有限元模型对比。 e) 模拟胎动时蛇形传感器与环形传感器的信号对比。 f) 模拟勃起时蛇形传感器与环形传感器的信号对比。 g) 非孕妇、早孕（10周+4天）与晚孕（40周+2天）志愿者的24小时腹部温度变化。 h) 非孕妇、早孕与晚孕志愿者连续1小时的腹部应变信号。 i-k) 正常、心因性与器质性ED患者在勃起过程中的阴茎应变与温度信号。

综上所述，本研究开发的PU-GBPC Janus水凝胶传感器，凭借其超薄高韧的仿生结构、离子-电子双导电网路、非对称粘附Janus设计、可回收性与多模态解耦能力，成功实现了对孕妇腹部与男性勃起功能的高精度、长期、无创监测。该研究为隐私敏感区域的家庭健康监测提供了智能化解决方案，有望推动“以患者为中心”的精准医疗和个性化健康管理模式的发展。