摘要：第一作者：Chencong Liu通讯作者：Xiaoping Shen，Baokang Dang，Qingfeng Sun通讯单位：浙江农林大学DOI: 10.1021/acsnano.4c07677

第一作者：Chencong Liu

通讯作者：Xiaoping Shen，Baokang Dang，Qingfeng Sun

通讯单位：浙江农林大学

DOI: 10.1021/acsnano.4c07677

水凝胶表皮电极是电生理信号传输组件，它利用水凝胶作为生理信号采集和处理系统中的电极材料，显示出卓越的生物相容性，并在与人体接触时防止过敏或排斥反应。由导电水凝胶制成的表皮电极具有类似皮肤的特性，如柔软性、保湿性和变形性。因此，它们在柔性表皮电子学领域引发了越来越多的兴趣，涵盖了从人造皮肤到生理监测的应用。水凝胶电极即使在运动过程中也能准确捕捉人体运动和生理信号，如心电图（ECG）和肌电图（EMG），为肌肉骨骼和心脏疾病提供了有价值的见解。值得注意的是，一类特定的导电水凝胶结合了柔性、适应性和粘附性，从而在生物电子学界面的先进机械传感方面具有明显的优势。

水凝胶的粘附性与聚合物网络中官能团的数量和类型以及水凝胶的适应性有内在联系。一般来说，更高的适应性和更多的官能团与更强的水凝胶-皮肤界面粘附性相关，确保了出色的信号传输效率和稳定性。水凝胶的适应性主要取决于其弹性模量。具体而言，弹性模量越低，水凝胶越软，与各种表面微观形貌的粗糙基材的相容性越好。目前报道的适应性水凝胶包括碳酸钙/聚丙烯酸（PAA）/海藻酸盐，羧甲基纤维素/聚多巴胺。在这些适应性水凝胶中，含有丰富羟基、胺基、羧基和酚羟基的水凝胶显示出很强的粘附性，在猪皮上的界面粘附强度为12至112 kPa。

本文亮点

1. 本工作通过在物理交联的聚电解质网络中加入大量互穿的核鞘结构导电纳米纤维，提出了髓鞘启发的水凝胶表皮电子学的概念。

2. 复合水凝胶网络中的物理关联包括络合、静电力、氢键、π-π堆积、疏水相互作用和弱纠缠。这些特性赋予水凝胶高拉伸性（770%）、超顺应性、自粘附性（猪皮28 kPa）和自愈能力。

3. 通过模拟Ranvier节点在神经系统中的跳跃传播效应，仿生水凝胶建立了高保真的表皮电子界面，具有界面接触阻抗低、信噪比显著提高（30 dB）以及大规模传感器阵列集成等优点。

图文解析

图1. 。髓鞘型水凝胶电极的设计原理和特点。（a） 仿生分段导电纤维的示意图。（b） CNFs、SCNFs和PEDOT:SCNFs的透射电子显微镜（TEM）图像、（c）拉曼光谱和（d）X射线光电子能谱（XPS）。（e） 不同IL含量的PEDOT:SCNF的电化学阻抗曲线。（f）可能的电子/离子沿核鞘PEDOT:SCN以及羧化PAA和TOCNF传输的图示。（g） 离子穿过纳米多孔PAA基质。（h）仿生水凝胶电极的应用示意图。

图2. 髓鞘启发的水凝胶电极的机械和自愈性能。（a） ζ-PEDOT:SCNF和水凝胶前体悬浮液的电位。（b） 600%应变下的循环拉伸试验，循环之间没有任何休息时间。（c） 拉伸机制。（d） 导电和自愈性能。（e） 自愈后的抗拉强度。（f） 立体显微镜图像和（g）自愈过程的机制。

图3. 水凝胶的自粘行为。（a） 照片和（b）水凝胶粘附在各种基材上的粘合强度。（c） 与之前报道的水凝胶相比，仿生水凝胶的整体性能。（d） 水凝胶粘附在具有不同结构的基质上的立体显微镜图像。（e） 剥离后自粘水凝胶的照片和SEM图像。（f） 自粘的化学机制。

图5. 髓鞘启发水凝胶在HMI开发和医疗监测中的应用。（a）使用配备无线手势控制功能的水凝胶传感器操作机器人推车。（b） 监测不同表情下的面部表面肌电图（sEMG）和（c）不同握力水平下前臂上的sEMG信号。这些照片说明了使用三电极装置的测定方法。（d） 心电图检测。（e） 不同水凝胶电极在平静和跑步状态下心电图信号信噪比的比较。（f） 手腕脉搏检测。

来源：华算科技