北京科技大学王东瑞教授团队Nano Letters：仿生水母的离子皮肤，集可拉伸、自修复与光响应荧光于一体

摘要：水母以其坚韧的皮肤、出色的拉伸性和自修复能力著称，同时还能根据环境变化调节颜色和荧光。近日，北京科技大学王东瑞教授团队从水母独特的生理结构和功能中汲取灵感，设计出一种由天然丝素蛋白、两性离子聚合物、钙离子以及光致变色分子螺吡喃组成的离子水凝胶。该水凝胶通过超分

水母以其坚韧的皮肤、出色的拉伸性和自修复能力著称，同时还能根据环境变化调节颜色和荧光。近日，北京科技大学王东瑞教授团队从水母独特的生理结构和功能中汲取灵感，设计出一种由天然丝素蛋白、两性离子聚合物、钙离子以及光致变色分子螺吡喃组成的离子水凝胶。该水凝胶通过超分子相互作用动态交联，形成了具有优异机械性能和功能特性的网络结构（图1），为可穿戴生物电子设备、软体机器人及健康监测领域的研究带来了新思路。相关研究成果以“Jellyfish-Inspired Ultrastretchable, Adhesive, Self-Healing, and Photoswitchable Fluorescent Ionic Skin Enabled by a Supramolecular Zwitterionic Network”为题发表于Nano Letters，青年教师宫敏为该研究工作的第一作者，青年教师吴振和王东瑞教授为通讯作者。

图1. 受水母启发的离子水凝胶制备示意图。

优异性能，服务健康监测

研究团队通过理论计算与实验分析，揭示了水凝胶中存在丰富的氢键、离子相互作用以及范德华力，这些非共价相互作用共同赋予了水凝胶高拉伸性（超过2000%）、强粘附性（对玻璃、金属、聚合物及猪皮等多种基材均有优异粘附性能）以及自修复能力。基于以上性能，该水凝胶可应用于表皮电极，成功实现了对人体心电（ECG）和肌电（EMG）信号的实时监测，为心脏功能诊断和肌肉活动监测提供了可靠依据（图2）。

图2. 水凝胶电极用于电生理信号监测。

光响应荧光，拓展应用领域

得益于负载的螺吡喃，该离子皮肤还集成了光响应荧光功能，在紫外光照射下，水凝胶的表观颜色从淡黄色变为品红色，并发出红色荧光；而在可见光照射下，表观颜色和荧光均可恢复初始状态。光响应性和优异粘附性使得该水凝胶在光学打印、防伪等领域具有巨大的应用潜力。研究团队通过光掩模实现了水凝胶表面的高分辨率图案打印，并利用智能手机成功解码了隐藏信息，展示了其在防伪技术中的独特优势（图3）。

图3. 光致变色及光致荧光水凝胶用于信息存储。

软体机器，开启仿生新维度

利用水凝胶的导电性、拉伸性、粘附性和光致荧光特性，研究团队进一步开发了一种仿生水母的软体机器，并实现了其在水中的电致驱动及光响应发光。当施加电压时，该软体机器能够像天然水母一样进行扩张和不对称振动，从而推动自身前进。这一设计不仅展示了离子皮肤在软体机器人领域的广阔前景，也为未来水下探测、环境监测等任务提供了新思路（图4）。