北京
近年来，能够持续监测身体变化的可穿戴健康传感器，已成为健康技术领域的一项重大进展。
这些设备，以及医用贴片和伤口敷料，通常需要与皮肤保持接触数小时甚至数天。然而，此类产品中常用的富水水凝胶会积聚热量和汗水，可能引起皮肤刺激并干扰传感器读数。
在《自然》杂志发表的一项新研究中，由麻省理工学院团队领衔的工程师们报告称，他们开发出了一种水凝胶，其中包含一个由微小充气通道构成的稳定三维网络。
2024年发表在《科学进展》上的一项研究，曾借助一种约10微米厚、用聚氨酯纳米网增强的透气水凝胶传感器，实现了连续八天的皮肤监测。
而麻省理工的这项新研究则另辟蹊径，在保持70%含水量的同时，于块状水凝胶内部构建了一个稳定的空气通道网络。
尽管含水量高达70%，但这种材料在实验室测试中的氧气渗透率达到了185巴勒（你没看错，这是气体渗透性的计量单位！）。
这大约是传统水凝胶透气性的10倍。
受人体肺部空气输送结构的启发，研究人员采用普通水凝胶配方，并加入了少量二氧化硅气凝胶颗粒——本质上就是“固态”气泡。这些疏水颗粒能锁住空气，并防止内部的微小气腔塌陷或被水填满。
在生产过程中，这些颗粒在水凝胶内部聚集，形成了一个薄且相互连通的充气通道网络。这些通道允许氧气和水蒸气穿过材料，同时保持其高含水量。
这种水凝胶的水蒸气透过率也比硅胶和聚氨酯贴片高10到100倍，有助于皮肤上的湿气散发。
该水凝胶还柔软耐用，在经历10,000次拉伸循环后，仍能保持约95%的空气渗透性。
为了证明新产品的可穿戴性，研究人员对比测试了他们贴片与更常见的硅胶贴片的佩戴舒适度。
取下贴片两分钟后拍摄的红外图像显示，在20分钟的锻炼后，商用硅胶贴片下的皮肤温度上升了6.5摄氏度。
而在新型水凝胶贴片下，皮肤温度下降了约1度，这可能是因为该材料能更有效地让热量散逸。
硅胶贴片下还积聚了大量汗液，而覆盖透气水凝胶的皮肤状态则与裸露皮肤相近。
在另一项测试中，10名志愿者在胸部佩戴这种新型贴片进行了1小时的中等强度运动，无人报告瘙痒、刺激或其他皮肤不良反应。
研究团队还将这种水凝胶改造成用于记录心脏电活动的电极。
在骑行测试中，随着汗液积聚，传统水凝胶电极产生的心电图信号稳定性变差。而由透气水凝胶制成的电极在运动期间及运动后，始终能保持更清晰的读数。
在长时间监测中，受试者连续佩戴水凝胶电极10天，期间在睡眠、工作、散步和锻炼等活动中，均能持续记录到可用的心电图信号。
该研究的资深作者、麻省理工学院机械工程师赵选贺告诉《科学警报》，该材料最直接的应用可能包括可穿戴医疗设备、伤口敷料和皮肤健康监测器。
“这些技术通常需要与皮肤长时间接触，但传统水凝胶会积聚热量和湿气，因为它们无法让足够的氧气和水蒸气通过。”赵选贺说。
“我们的材料克服了这一局限，同时保留了使水凝胶舒适且具生物相容性的高含水量和柔软特性。”
然而，这种材料尚未准备好投入临床应用。赵选贺表示，后续研究还需评估其长期生物相容性、在大型动物身上的表现、灭菌方式、规模化生产、保质期以及监管安全性。
人体测试规模较小，主要是为了证明该材料的可行性。
运动和舒适度评估最多涉及10名志愿者，皮肤生理测量仅有两名参与者，而运动心电图对比则涉及三人。因此，还需要规模更大、更具多样性的研究来证实这些发现。
此外，该材料还需根据具体产品进行调整，因为伤口敷料、可穿戴传感器和植入物各有不同的要求。
目前这种材料本身不具有粘性，这意味着它仍需要单独的背衬或固定机制才能贴附在皮肤上。
从长远来看，该设计或可用于组织工程和植入式设备，在这些领域，为细胞持续供氧仍是一项重大挑战。
“许多工程化组织和植入物需要高效的氧气传输来维持细胞活力，我们的材料提供了一种改善气体交换的方法，同时保留了细胞所需的水合环境。”赵选贺说。
然而，他提醒道，植入式应用需要更多的测试，因此，基于皮肤的应用是更现实的第一步。
该研究成果发表在《自然》杂志上。
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