东南大学《自然·通讯》：新型“机械离子皮肤”问世：以单一材料破解心血管电机械耦合监测难题

心血管健康的丰富信息，编码于心脏电兴奋与随后血液动力学传播之间每一次搏动中的电机械耦合之中。这种毫秒级的时间关联为血流动力学状态提供了动态读数。然而，在可穿戴设备中高保真地解析这种耦合一直是个挑战。当前的可穿戴生物电子学依赖于碎片化的传感范式，采用异质材料将本质上关联的生物事件解耦为不连贯的物理域（光学与电学），这种分离与空间上的解耦引入了可变的传输延迟与同步漂移，扭曲了脉搏到达时间等时间敏感指标，从而降低了日常生活中连续血压监测与心血管评估的准确性。问题的根源在于生物组织与人工材料之间的转导失配：生物系统通过离子动力学无缝集成电传导与机械驱动，而人工设备则依赖分立的电子组件来捕获这些模态。因此，解决这一失配需要一种能够在源头参与生物通讯的统一界面。

为此，东南大学刘宏教授、东南大学/东华大学雷周玥教授合作，报道了一种统一的机械离子皮肤，通过沿单一离子传导路径同时传导生物电位并高效转导动脉压力，从而保留了这种电机械耦合的天然一致性。该材料通过分子阳离子束缚与微尺度应力集中的协同策略，打破了离子动力学的对称性，实现了高达1071 mV/kPa的巨压离子灵敏度，超出最先进离子导体三个数量级。该响应可同时解析脉搏波与心电图，消除了跨传感器同步误差。集成于腕带后，该界面可实现每搏血压监测，并能在日常静息条件下反复追踪心血管功能，展示了多模态感觉融合可通过精确调控离子动力学而成为软物质的固有属性。相关论文以“A unified mechano-ionic skin for resolving native electromechanical coupling”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队从分子与微观两个尺度进行了协同设计。在分子尺度上，他们通过氢键选择性束缚阳离子，打破了离子迁移率的对称性，从而提升本征压离子系数；在微观尺度上，尖端的微结构将微弱的表皮压力转化为陡峭的内部压力梯度，通过机械不对称性进一步放大压离子响应。这种多尺度协同产生了高增益的机械离子换能器，能够实现心电与机械心血管信号的共位、时间对齐读出。为最大化本征压离子系数，研究团队通过选择性限制阳离子迁移率来打破离子传输的对称性。该机械离子皮肤由硫醇-烯交联网络、作为电荷载体的离子液体以及作为阳离子束缚剂的聚乙二醇组成（图1a）。等温滴定量热法揭示了相互作用的驱动力（图1b、c），光谱分析将相互作用定位于咪唑鎓阳离子（图1d），低场核磁（图1e）与脉冲梯度场核磁（图1h）进一步证实了不对称迁移率的实现——在最优比例下，阴离子扩散系数明显超过阳离子。电化学阻抗谱确定了最优PEG/IL比例（图1f），二维低场核磁图谱展示了优化材料中的三种组分分布（图1g）。

图1. 统一机械离子皮肤中离子迁移率不对称性的分子工程。 (a) 示意图说明机械离子界面。该皮肤结合尖端聚焦微结构与氢键阳离子束缚网络，置于桡动脉上方，产生结合心电图与动脉脉搏波并具有天然电机械耦合的机械离子信号。(b) 将PEG滴定入IL时的热量变化的ITC热谱图。(c) 由ITC数据导出的焓变(ΔH)与熵变 (ΔS)。(d) 随PEG浓度变化的[EMIM]⁺环状–CH=CH–伸缩振动与[TFSI]⁻对称弯曲振动的拉曼光谱位移。(e) PEG/IL混合物中[EMIM]⁺（中间行）与[TFSI]⁻（底行）的¹H与¹⁹F LF-NMR横向弛豫时间 (T2)。上行显示PEG/IL混合物的二维¹H LF-NMR（T₁–T₂）相关谱。(f) 机械离子皮肤离子电导率随PEG含量的变化。(g) 优化机械离子皮肤的二维¹H LF-NMR图谱。(h) 优化机械离子皮肤中离子自扩散系数差异，由PFG-NMR定量。

在微观尺度上，有限元模拟表明，在表面 patterning 锐利的微尖端可将局部压力梯度比平面对照组放大超过四个数量级（图2a、b），有效形成高效离子泵阵列以驱动应力诱导的电荷分离。研究团队据此在机械离子皮肤表面制备了均匀的微尖端阵列（图2c），织构化表面与皮肤形成紧密共形接触，确保动脉压力的高效传递（图2d、e）。在纳米尺度上，PEG调控的配方发生受控的纳米相分离，小角X射线散射曲线证实了约20 nm特征畴间距的富IL区域渗透网络（图2f）。微尖端充当泵产生不对称应力梯度，而纳米通道则促进阴离子在压力梯度下通过体相的快速不对称传输。这种分子束缚与微尺度应力集中的协同整合带来了巨大的压离子响应。在80 Pa的轻柔压力下，优化的机械离子皮肤产生85.7 mV的开路电压（图2g）与24.5 nA的短路电流（图2h），相应表观压离子灵敏度达到1071 mV/kPa，超出最先进压离子材料三个数量级（图2i）。随着压力增加，输出电压在约1.67 kPa附近接近饱和平台（104.6 mV），而电流持续上升（2.5 kPa时达80.6 nA）（图2j）。在外接负载电阻下，5×10⁷ Ω实现最佳平衡，输出61.1 mV和7.7 nA，峰值功率密度0.36 nW/cm²（图2k、l）。

图2. 机械离子转导的微尺度放大与高压离子性能。(a) 80 Pa压力下平面与尖端聚焦样品应变分布的有限元模拟比较。(b) 相同外力下平面与尖端聚焦样品压力分布的有限元模拟比较。(c) 机械离子皮肤表面均匀微尖端阵列的光学显微照片。比例尺：1 mm。(d) 透明机械离子皮肤贴附于人体腕部的俯视照片。比例尺：1 cm。(e) 展示与人体皮肤紧密共形接触的侧视照片。比例尺：1 cm。(f) SAXS曲线证实约20 nm特征畴间距的纳米相分离存在。(g) 尖端聚焦机械离子皮肤在80 Pa周期性轻柔压力下产生的开路电压。(h) 相同尖端聚焦机械离子皮肤在80 Pa相同压力下产生的短路电流。(i) 本材料与最先进压离子及柔性压电材料压离子灵敏度的比较。(j) 压离子电压与电流输出随施加压力的变化。(k) 80 Pa恒定压力下输出电压与电流随外接负载电阻的变化。(l) 功率密度随外接负载电阻的变化。

关键在于，微尺度几何放大并未损害生物电记录所需的离子电导率。电化学阻抗谱证实，PEG工程化的纳米级通道保持了与平面对照组相当的低体相电阻，微结构化皮肤的总界面阻抗仍足够低，可实现微弱心电生物电位的高保真传导。心电记录对比显示，尖端聚焦设计实现了26.4 dB的高信噪比，略低于平面对照组的27.0 dB，证实微结构架构在显著增强压离子灵敏度的同时未明显降低心电记录质量。这种阻抗优化对于保留天然电机械耦合至关重要——通过单一材料界面同时转导微弱脉搏压力（通过压离子效应）并传导心电电位（通过离子传导），机械与电信号通过单一采集通道与分布式参考路径实现统一，时序对齐由统一离子通路固有地保留，消除了时序误差的物理根源。

在可靠性方面，该机械离子皮肤表现出类表皮的杨氏模量（约0.9 MPa）与高拉伸性（67%）（图3a），模量在两个数量级的应变速率下几乎不变（图3b），流变学显示在宽频率范围内呈类固体弹性行为，损耗因子低至0.07–0.32（图3c）。在1%–20%应变范围的循环压缩下，应力-应变响应近乎线性和胡克型（图3d）；40%拉伸循环20,000次后保持稳定形变，滞后约3%（图3e）；尖端聚焦结构在10%应变下20,000次循环压缩后残余应变低于0.8%（图3f）。光学与扫描电镜评估显示微结构完整，无结构屈服、内部微裂纹或相分离，界面无液体泄漏，阻抗谱在完整循环测试前后高度稳定。这种物理与组分耐久性确保了长期使用中机械离子尖峰与心电信号的保真度。

图3. 机械拉伸性、弹性与长期稳健性。(a) 机械离子皮肤的应力-应变曲线，展示高拉伸性（达67%）与约0.9 MPa的杨氏模量。(b) 杨氏模量随应变速率的变化。(c) 流变学分析显示储能模量、损耗模量与损耗因子随频率的变化。(d) 各应变（1–20%）下的压缩应力-应变曲线，展示近乎理想的线性弹性，符合胡克定律。(e) 40%应变下20,000次循环的长期循环拉伸测试。(f) 尖端聚焦机械离子皮肤在10%应变下20,000次循环的长期循环压缩测试。

当定位于桡动脉上方时，该机械离子皮肤通过同一离子通路内的单一采集通道生成复合信号，天然保留心电与动脉脉搏波之间的电机械耦合（图4a）。根据等效电路模型，压力诱导的压离子电位与皮肤-材料界面传导的生物电位线性叠加，产生统一电压分布（图4b）。凭借材料的巨灵敏度，信号以高信噪比忠实再现精细动脉特征，包括收缩峰、潮波和重搏切迹（图4c）。这种单一材料读出允许直接测定脉搏到达时间而无需外部时间校准，通过消除分布式多传感器系统固有的时序误差与同步漂移，实现了通过统一材料通路对心血管电机械耦合的无创采集。

研究团队将该皮肤集成于柔软腕带中（图4d、e），配备紧凑电子器件与智能手机应用，实现实时可视化、自动特征提取与血流动力学分析（图4f）。临床基准测试中，腕带与医疗级参考设备在对侧手腕进行对比（图4g），志愿者执行Valsalva动作诱导血压快速波动。系统成功追踪了宽生理窗口内的收缩压与舒张压（图4h），Bland-Altman分析显示腕带估计值与参考值高度一致，收缩压平均误差-1.20±6.53 mmHg，舒张压-1.15±5.63 mmHg（图4i、j）。24小时间歇监测协议成功追踪了典型昼夜节律，与参考吻合（图4k）。

图4. 每搏心血管监测与可穿戴演示。(a) 工作原理显示压力驱动的压离子电位与体生物电位在同一部位通过单一离子通路采集，产生复合波形。(b) 机械离子皮肤同时采集动脉脉搏波与心电图的等效电路。(c) 典型ECG-PW波形解析ECG R峰与PW形态（主波、潮波与重搏波）。(d) 机械离子皮肤作为腕带的实际实现。(e) 分解示意图展示多层器件架构。(f) 定制移动应用截图，显示实时ECG-PW波形与计算的血流动力学参数。(g) 腕带与Finometer Pro基准测试的实验设置。(h) 收缩压与舒张压散点图覆盖志愿者宽血压范围。(i) 腕带与医疗级参考收缩压的Bland-Altman图。(j) 腕带与医疗级参考舒张压的Bland-Altman图。(k) 24小时血压监测。

为充分利用天然耦合波形编码的丰富信息，研究团队从每次搏动中提取标志点与定量特征（图5a），输入深度神经网络以估计包括血压、每搏输出量、心输出量、左心室射血时间与总外周阻力在内的广泛心血管指标（图5b）。模型对收缩压与舒张压的预测误差与医疗级参考高度一致（图5c），且达到IEEE标准定义的A级精度（图5d）。腕带在Valsalva动作期间成功追踪快速血流动力学瞬变，与参考在趋势和幅度上紧密匹配（图5e）。在血压之外，耦合信号解锁了心血管状态的全面视图，预测值与参考值高度一致，每搏输出量、心输出量、左心室射血时间与总外周阻力的分布均与参考重叠（图5f–i）。在日常生活中的验证中，佩戴腕带的参与者经历静息、低强度骑行、高强度骑行与恢复的分阶段方案，记录忠实追踪了独特的生理恢复动力学（图5j）。

图5. 深度学习解锁多参数心血管功能。(a) 从具有天然电机械耦合的ECG-PW波形定义每搏标志点，包括脉搏到达时间与用于特征提取的波形地标。(b) 用于预测心血管参数的深度神经网络示意图。(c) 模型收缩压与舒张压预测误差分布的提琴图。(d) 根据无创血压计IEEE标准对本研究收缩压与舒张压结果进行准确性分级。(e) Valsalva动作期间每搏血压追踪。(f) 每搏输出量预测值与测量值分布比较的提琴图。(g) 心输出量预测值与测量值分布比较的提琴图。(h) 左心室射血时间预测值与测量值分布比较的提琴图。(i) 总外周阻力预测值与测量值分布比较的提琴图。(j) 代表性参与者运动前后血流动力学参数的每搏监测。每搏输出量、心输出量、左心室射血时间与总外周阻力在静息及运动后1、3、5、10、30分钟时测量。彩色与灰色轨迹分别代表预测值与同步Finometer Pro参考测量值。

该研究从根本上区别于当前主流的异质传感范式——后者将电生理电极与用于血流动力学的光学、应变或超声换能器在物理和功能上分离，迫使通过算法重建跨不同硬件通道的关系。而该机械离子皮肤在材料源头解决了这些冲突，将传导与转导整合于单一离子通路，以最小硬件复杂度提供高保真读数。最为关键的是，压离子转导效率足够高，天然叠加的ECG-PW波形可直接使用标准、广泛可用的心电设备采集，证明突破源自材料物理而非复杂器件工程或机器学习算法。

这项工作建立了一种统一的生物电子界面材料策略，解决了传统分布式传感固有的时空碎片化问题。通过氢键介导的阳离子束缚与微尺度应力集中的协同工程打破离子动力学对称性，研究团队将通常微弱的压离子效应转变为高保真生物传感的稳健机制，有效调和了机械柔顺性与转导灵敏度之间的折衷，使捕获细微动脉脉搏波的同时天然保留其与心电图的电机械耦合成为可能。超越每搏心血管监测，该原理为软离子导体的功能化提供了一条通用途径——通过严格调控应力下的离子动力学，材料可被工程化为主动转导机械信息而不仅传导电位。这一机械离子框架或可进一步适配解码神经网络的微机械语言、监测工程组织成熟度，或赋予软机器人以类生命本体感知反馈。通过使物质能够以生物天然的离子语言同时感知与传导，该工作为生物融合系统开辟了道路——在其中传感器与传导界面的区分将消失。