據(jù)麥姆斯咨詢報道，受氫鍵具有溫度可逆性的啟發(fā)，西北大學惠俊峰教授、范代娣教授和南京工業(yè)大學霍峰蔚教授團隊通過使用生物相容性聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol)，PVA）、植酸（phytic acid，PA）和明膠（gelatin，Gel），開發(fā)了一種具有多重氫鍵的皮膚友好型導電水凝膠。所獲得的PVA/PA/Gel（PPG）水凝膠具有溫度觸發(fā)可調(diào)機制，能夠在熱敷下可靠地粘附在皮膚上并檢測電生理信號，同時在冷敷下很容易去除。此外，PPG水凝膠的透明性、透氣性和抗菌活性等額外優(yōu)勢確保了其在皮膚上的長期可穿戴價值。生產(chǎn)過程中廢棄的PPG水凝膠可以基于可逆氫鍵鍵合原理進行回收利用，既環(huán)保又節(jié)約成本。在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域，PPG水凝膠傳感器有望在記錄電生理信號方面具有良好的應用前景。

柔性電子設(shè)備通過檢測各種重要信號，包括物理信號（如應變和運動）和電生理信號【如心電圖（electrocardiogram，ECG）、腦電圖（electroencephalography，EEG）和肌電圖（electromyogram，EMG）信號】，在人類健康監(jiān)測和醫(yī)療診斷中發(fā)揮著重要作用。可穿戴性是未來柔性電子發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。水凝膠具有類似組織的柔軟性，同時又具有韌性和可拉伸性，為生物植入、組織再生和電子皮膚設(shè)備提供了平臺。基于水凝膠的離子皮膚可以減少電子-離子界面電阻和運動偽影，以獲得更準確的檢測結(jié)果，為自然生物和人工設(shè)備之間的交互信息傳輸鋪平道路。然而，這種傳感器的粘附性通常不能滿足實際應用的需求。如果與皮膚的粘附力太弱，傳感器將在身體運動過程中任意移動，從而導致運動偽影、噪聲數(shù)據(jù)和隨后的誤診；如果與皮膚的粘附力太強，傳感器在移除時可能會對用戶造成炎癥、刺激和疼痛。因此，需要設(shè)計新一代基于水凝膠的皮膚粘合劑以滿足當前需求。

為此，人們在調(diào)節(jié)裝置與皮膚之間粘附力方面已經(jīng)做了諸多努力。水凝膠粘合劑很受關(guān)注，因為它的粘附性可以通過在互補官能團（碳-碳、碳-氮、硅氧烷、酰胺等）和物理相互作用（如離子鍵、氫鍵、主客體相互作用和范德華相互作用）的幫助下改變化學組成和表面基團來定制。一種有效的策略是通過分離觸發(fā)器去除強粘附力，實現(xiàn)按需分離水凝膠。然而，人們已經(jīng)意識到使用化學試劑觸發(fā)器所存在的問題。一方面，額外的化學物質(zhì)可能會造成皮膚損傷；另一方面，皮膚分泌的代謝物可能成為潛在的觸發(fā)器，導致水凝膠分離及功能失調(diào)。物理誘導的可分離【近紅外（near-infrared，NIR）、紫外（ultraviolet，UV）和溫度】水凝膠可以避免這些問題，因此引起了廣泛關(guān)注。其中，溫控水凝膠對用戶來說很方便，因為它們可以由人體溫度觸發(fā)，而無需額外的化學物質(zhì)或裝置。研究人員設(shè)計了一種溫度觸發(fā)的按需剝離貼紙，可在26至32℃之間提供高粘附性?，同時在冷卻至低于21℃的溫度后，可將其剝離。受章魚吸盤的肌肉驅(qū)動粘附機制的啟發(fā)，有人制備了一種具有溫度觸發(fā)的皮膚粘合水凝膠貼片，在20℃和37℃下具有不同的皮膚錨定強度。眾所周知，環(huán)境溫度在冬季通常低于20℃，夏季高于40℃，這意味著水凝膠的粘附性在日常生活中不穩(wěn)定，應進一步改善。一種流行的發(fā)展趨勢是設(shè)計一種機械性能可調(diào)的水凝膠粘合劑。

受氫鍵具有溫度可逆性的啟發(fā)，生物相容性聚乙烯醇（PVA）和明膠（Gel）已被用于構(gòu)建氫鍵交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡，植物中的植酸（PA）通過形成多重氫鍵來加強PVA-Gel水凝膠網(wǎng)絡并充當質(zhì)子供體以提高水凝膠電導率。西北大學和南京工業(yè)大學的研究人員提出了一種簡便的策略，以制備溫度觸發(fā)的粘附性在4℃到55℃之間的皮膚友好型水凝膠。得益于氫鍵和離子鍵的可逆性，PVA/PA/Gel（PPG）水凝膠可以避免在剝離過程中對皮膚造成傷害。具體而言，弱氫鍵將通過約55℃的熱敷被破壞，使PPG水凝膠粘附并保持附著在皮膚上，以便在靜止和運動期間檢測具有較少運動偽影的電生理信號。所獲得的粘附性可以一直保持，直到冷敷才得以觸發(fā)氫鍵重整。這種策略使PPG水凝膠能夠用于監(jiān)測人類健康，因為它具有良好的透明度、自適應性、透氣性、保水性和抗菌活性。此外，通過可逆離子鍵和氫鍵交聯(lián)，生產(chǎn)過程中廢棄的PPG水凝膠可以回收利用，以減少資源浪費、生產(chǎn)成本和環(huán)境污染。

PPG水凝膠機理示意圖

由于生物相容性水凝膠通常為細菌提供了合適的生存環(huán)境，因此將水凝膠直接粘貼在皮膚上意味著將細菌接種在皮膚上，這會帶來細菌感染的潛在風險。因此，研究水凝膠材料的抗菌性能至關(guān)重要，實驗結(jié)果如下圖所示。由于PA具有較強的螯合金屬離子和蛋白質(zhì)的能力，可作用于細菌細胞壁，導致細胞壁合成受到抑制、細胞膜受損以及大量細菌死亡。因此，富含PA的PPG水凝膠具有良好的抗菌效果。

PPG水凝膠的生物相容性

為了評估其靈敏度和響應，將PPG水凝膠作為可穿戴傳感器附著在志愿者的手指關(guān)節(jié)上，以收集電生理信號。實驗結(jié)果表明，基于PPG水凝膠的傳感器具有高靈敏度和快速響應，滿足人體監(jiān)護儀的要求。

PPG水凝膠的電性能

研究人員還組裝了一個基于PPG水凝膠的便攜式傳感器，通過藍牙設(shè)備實時追蹤人體的電生理信號，無需任何笨重的附屬設(shè)備，就能清晰地輸出規(guī)律的心跳信號。與商用貼片相比，PPG水凝膠還具有適應能力強、與人體皮膚緊密貼合的特點，有利于實時記錄有效信號并連續(xù)診斷健康狀況。

PPG水凝膠作為心電圖檢測的傳感器貼片

總之，作為一種安全舒適的皮膚貼片，由生物相容性PVA和PA構(gòu)成的PPG水凝膠具有良好的透明度、透氣性、保水性和抗菌活性。此外，自適應、自愈和導電性有效地控制了水凝膠與皮膚之間的高生物電阻抗，使PPG水凝膠能夠在運動過程中收集電生理信號。當用作心電圖診斷的電極時，PPG水凝膠可以重復使用，并在志愿者休息、行走和深呼吸時提供穩(wěn)定的電生理信號。此外，PPG水凝膠具有良好的再成型性和可重復使用性，使廢料可以重復使用，從而滿足環(huán)保要求。因此，PPG水凝膠作為傳感器在人體健康監(jiān)測中被認為具有良好的應用前景。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00193-5

審核編輯 ：李倩