Adv Sci丨浙江大学彭玉鑫等人研究开发的PAMP水凝胶为医疗监测与野生动物保护提供快速响应生物传感技术

摘要：水凝胶辅助软生物传感器已成为两栖环境中多模态生理监测的变革性平台。然而，开发用于长期连续多生理生物电子学的即时水下粘合、可扩展制造和坚固耐用的界面仍然具有挑战性。

水凝胶辅助软生物传感器已成为两栖环境中多模态生理监测的变革性平台。然而，开发用于长期连续多生理生物电子学的即时水下粘合、可扩展制造和坚固耐用的界面仍然具有挑战性。2025年8月24日，浙江大学彭玉鑫、Ming Xin共同通讯在在线发表题为Underwater Instant Adhesive Hydrogel Interfaces for Robust Biosensing on Diverse Species”的研究论文。该研究提出了一种通用且简便的制造策略，通过分子缠结工程克服了这些限制，制造出了即时水下粘合水凝胶界面，该界面在10秒内表现出超过230 J•m−2的快速、强界面韧性。此外，还建立了一种用于实际转化的卷对卷可扩展制造方案。该水凝胶界面具有类似组织的柔软度≈109 kPa，可实现从水生生物到两栖物种以及人类表皮的无缝多模态生物传感器集成，可重复使用和长期使用，从而促进同时进行多参数生理信号采集和行为追踪。这些发现为即时粘合水凝胶界面建立了分子缠结工程的全新设计框架，从而为医疗监测和野生动物保护提供了可靠且快速响应的生物传感技术。

柔性电子技术的快速发展彻底改变了传统的生物传感技术，使其能够广泛应用于可穿戴健康监测、生命体群体感知等领域。柔性生物电子技术有利于在水下活动（包括水下运动、水下救援和康复水疗）中进行实时生理监测。此外，随着人类对水下世界的探索日益深入，下一代水下生物传感技术应能够非侵入式地追踪海洋动物，获取其行为和生理参数，从而阐明生态系统动态、解析迁徙模式并优化人类水下运动。同时，这些户外水下运动和大规模的水下群体监测通常需要快速稳定地部署生物传感器，以节省操作时间并提高效率。传统的水下监测系统主要采用刚性机械或手术固定。对于人类健康监测而言，这种物理方法可能会限制目标生物的活动，并极易造成组织损伤。同时，缝合操作往往会导致动物追踪过程中出现皮肤损伤和感染风险，从而影响长期监测的有效性。尽管表皮粘附传感装置已获得广泛关注，但仍面临关键技术挑战，包括粘附响应时间长、潮湿环境下装置与皮肤界面粘附性差以及制造工艺不可扩展等。这些问题严重阻碍了其在水生生物遥测、溺水救援和运动表现监测等紧急场景中的应用。同时，传统的单模态传感系统受制于其单一的数据采集能力，无法实现全面的多参数健康分析。因此，开发集成快速粘附、耐用水凝胶界面的多模态生物传感系统对于推进人体运动知觉评估和海洋生物生理监测至关重要。此外，建立标准化的制造工艺流程可确保生物粘附水凝胶界面性能的可重复性，并满足实际产品转化的需求。水环境中器械-组织界面粘附强度不足、反应延迟的根本机制可归因于两个主要因素：首先，界面分子相互作用的减少显著降低了界面层的抗水化侵蚀能力。此外，未优化的水传输通道延迟了水凝胶的溶胀动力学，从而阻碍了快速粘附建立。最近，已经提出了三种主要设计原则来应对这些挑战，包括界面改性、纳米复合材料增强和物理结构工程。具体而言，仿生界面改性策略已取得显著成功。例如，受贻贝足蛋白的启发，单宁酸交联壳聚糖和丝素蛋白水凝胶通过氢键形成超分子网络。这种水凝胶实现了显著的皮肤粘附，剪切强度为 29.6 kPa，并在3分钟内具有粘合止血能力，可用于急性创伤管理。此外，典型的双网络互穿PVA和交联聚（丙烯酸）水凝胶，通过共价交联聚（丙烯酸）-N-羟基琥珀酰亚胺酯的粘合改性，实现了对软生物的快速、非侵入性和稳定的粘附，剪切强度≈40 kPa，时间不超过22 s。对于纳米复合材料增强策略，将2D聚（L-丙交酯）基纳米片掺入钙海藻酸水凝胶中，显著提高了粘合水凝胶的界面粘附强度和机械性能，在10分钟内实现有效粘附。目前，物理结构工程已成为增强水生物粘附的先进策略。例如，超声换能器 (20 kHz) 通过空化诱导微泡形成引发聚（N-异丙基丙烯酰胺）-海藻酸盐水凝胶在组织上快速凝胶化，从而驱动聚合物链进入组织微结构，产生强烈的机械缠结，增强水凝胶粘附性，在 1 分钟内达到≈100 J·m−2的粘附能。尽管取得了这些进展，水凝胶粘合剂仍然存在动力学缓慢的问题，传统系统需要超过 20 秒（最多 10 分钟）才能建立粘附。这种粘附时间限制凸显了开发具有超快响应的下一代水下粘合剂的迫切需求。总体而言，生物集成电子系统中界面粘附的发展主要面临几个关键问题，包括快速粘附动力学、稳固的界面键合和可扩展的制造工艺。该研究采用分子缠结工程策略 (MEES) 构建水下速粘水凝胶界面，以实现对不同物种的稳健生物传感。通过利用超高分子量聚环氧乙烷 (UHMW-PEO) 与传统聚丙烯酰胺 (PAM) 的丰富链缠结，优化了所制备的 PEO/PAM (PAMP) 水凝胶中的水传输通道，显著提高了快速溶胀动力学，实现了即时粘附。这种PAMP水凝胶界面表现出 10 秒内的超快水下粘附、界面韧性超过 230 J·m−2的卓越界面结合和杨氏模量 ≈109 kPa 的组织状柔顺性，可在各种组织-设备界面之间形成无缝和即时粘合剂。重要的是，建立了卷对卷可扩展的制造协议以实现实际转化。倡导将 PAMP 水凝胶作为生物粘附平台，这种适形、轻便、紧凑的柔性多模生物传感贴片可在 10 秒内实现快速操作和难以察觉的粘附，从而有助于长期、高保真地监测游泳活动。此外，PAMP水凝胶能够快速、牢固地与水生和两栖生物及其生物传感器进行界面粘附，从而能够在野外可靠地追踪跨物种水下行为。该研究成果为水生环境中的多种应用（例如运动医学、紧急救援行动和海洋生物研究）建立了一个速粘性水凝胶平台。