長期可穿戴健康監(jiān)測的超薄、透氣、抗凍的水凝膠電極對于早期疾病診斷、個(gè)性化醫(yī)療和長期健康監(jiān)測具有重要意義。水凝膠因其能夠模擬生物組織的特性，在生物電子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，被用于開發(fā)生物物理、生化和電生理傳感器、能量存儲設(shè)備、自修復(fù)電路、治療系統(tǒng)和軟體機(jī)器人等。然而，現(xiàn)有的水凝膠電極存在一些局限性，如機(jī)械脆弱性、快速脫水、凍結(jié)問題以及舒適性問題。這些問題限制了水凝膠電極在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和舒適性，尤其是在長期健康監(jiān)測中。

廣東以色列理工學(xué)院王燕團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種2.7微米厚的超薄、透氣、抗凍水凝膠電極。這種電極通過使用聚氨酯（PU）納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的明膠水凝膠，實(shí)現(xiàn)了極低的彎曲剛度，提高了與皮膚的貼合性。同時(shí)，通過添加甘油和氯化鋰（LiCl），實(shí)現(xiàn)了水凝膠的抗凍和抗脫水性能。相關(guān)內(nèi)容以“A 2.7-μm- thick robust, permeable, and antifreezing hydrogel electrode for long- term ambulatory health monitoring”為題發(fā)表在《

Science Advances

【主要內(nèi)容】

1. 超薄設(shè)計(jì)與機(jī)械性能：

通過將聚氨酯（PU）納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)嵌入明膠水凝膠中，研究團(tuán)隊(duì)成功制備了2.7微米厚的超薄水凝膠電極。這種設(shè)計(jì)顯著降低了水凝膠的彎曲剛度，使其能夠緊密貼合皮膚表面，提高了佩戴的舒適性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種超薄水凝膠電極具有238.4%的拉伸應(yīng)變和1000次循環(huán)的耐久性，顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能。

圖1 用于長期動態(tài)健康監(jiān)測的超薄水凝膠

圖2 合成與表征

2. 抗凍和抗脫水性能：

通過添加甘油和氯化鋰（LiCl），研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了水凝膠的抗凍和抗脫水性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種超薄水凝膠在-90°C的超低溫下仍能保持其機(jī)械性能和電導(dǎo)率，且在12天內(nèi)僅損失2%的水分，顯示出卓越的抗凍和抗脫水能力。

3.透氣性和水蒸氣透過率：

超薄設(shè)計(jì)和納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)顯著提高了氣體（如空氣、氧氣和二氧化碳）的透過率和水蒸氣的傳輸率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種超薄水凝膠的氣體透過率分別是3.0×10^4、3.2×10^4和3.6×10^4 GPU，水蒸氣透過率達(dá)到1252.3 g/m^2/day，顯示出優(yōu)異的透氣性和水蒸氣透過率。

圖3 最小化運(yùn)動和汗液干擾，實(shí)現(xiàn)長期健康監(jiān)測

4.生物相容性和抗菌性能：

通過細(xì)胞毒性測試和抗菌測試，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了這種超薄水凝膠電極的生物相容性和抗菌性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種水凝膠在7天內(nèi)顯示出96.7%的細(xì)胞活性，且對大腸桿菌（E. coli）和金黃色葡萄球菌（S. aureus）具有顯著的抗菌效果，顯示出良好的生物相容性和抗菌性能。

5.電生理信號監(jiān)測：

通過心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）監(jiān)測，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了這種超薄水凝膠電極在長期使用中的穩(wěn)定性和高保真度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種超薄水凝膠電極在8天內(nèi)連續(xù)佩戴后，皮膚接觸阻抗保持在55 kΩ以下，且在各種日常活動中（如步行、跑步、進(jìn)食、睡眠等）均能穩(wěn)定記錄高質(zhì)量的ECG和EEG信號，顯示出卓越的運(yùn)動和汗液抗干擾能力。

圖4 高保真腦電圖監(jiān)測

【全文總結(jié)】

這種新型超薄、透氣、抗凍水凝膠電極在長期可穿戴健康監(jiān)測中表現(xiàn)出色，克服了現(xiàn)有水凝膠電極的局限性。其超薄設(shè)計(jì)和納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)顯著提高了與皮膚的貼合性和佩戴舒適性，同時(shí)通過添加甘油和氯化鋰實(shí)現(xiàn)了卓越的抗凍和抗脫水性能。此外，這種超薄水凝膠電極在氣體透過率和水蒸氣透過率方面表現(xiàn)出色，確保了長期佩戴的舒適性和健康性。

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