《Science子刊》廣東以色列理工王燕：超薄可穿戴健康監測水凝膠！

長期可穿戴健康監測的超薄、透氣、抗凍的水凝膠電極對于早期疾病診斷、個性化醫療和長期健康監測具有重要意義。水凝膠因其能夠模擬生物組織的特性，在生物電子學領域得到了廣泛應用，被用于開發生物物理、生化和電生理傳感器、能量存儲設備、自修復電路、治療系統和軟體機器人等。然而，現有的水凝膠電極存在一些局限性，如機械脆弱性、快速脫水、凍結問題以及舒適性問題。這些問題限制了水凝膠電極在實際應用中的可靠性和舒適性，尤其是在長期健康監測中。

廣東以色列理工學院王燕團隊開發了一種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）納米網狀結構增強的明膠水凝膠，實現了極低的彎曲剛度，提高了與皮膚的貼合性。同時，通過添加甘油和氯化鋰（LiCl），實現了水凝膠的抗凍和抗脫水性能。相關內容以“A 2.7-μm- thick robust, permeable, and antifreezing hydrogel electrode for long- term ambulatory health monitoring”為題發表在《

Science Advances

【主要內容】

1. 超薄設計與機械性能：

通過將聚氨酯（PU）納米網狀結構嵌入明膠水凝膠中，研究團隊成功制備了2.7微米厚的超薄水凝膠電極。這種設計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。實驗結果表明，這種超薄水凝膠電極具有238.4%的拉伸應變和1000次循環的耐久性，顯示出優異的機械性能。

圖1 用于長期動態健康監測的超薄水凝膠

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），研究團隊實現了水凝膠的抗凍和抗脫水性能。實驗結果表明，這種超薄水凝膠在-90°C的超低溫下仍能保持其機械性能和電導率，且在12天內僅損失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：

超薄設計和納米網狀結構顯著提高了氣體（如空氣、氧氣和二氧化碳）的透過率和水蒸氣的傳輸率。實驗結果表明，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，水蒸氣透過率達到1252.3 g/m^2/day，顯示出優異的透氣性和水蒸氣透過率。

圖3 最小化運動和汗液干擾，實現長期健康監測

4.生物相容性和抗菌性能：

通過細胞毒性測試和抗菌測試，研究團隊驗證了這種超薄水凝膠電極的生物相容性和抗菌性能。實驗結果表明，這種水凝膠在7天內顯示出96.7%的細胞活性，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.電生理信號監測：

通過心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）監測，研究團隊驗證了這種超薄水凝膠電極在長期使用中的穩定性和高保真度。實驗結果表明，這種超薄水凝膠電極在8天內連續佩戴后，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、進食、睡眠等）均能穩定記錄高質量的ECG和EEG信號，顯示出卓越的運動和汗液抗干擾能力。

圖4 高保真腦電圖監測

【全文總結】

這種新型超薄、透氣、抗凍水凝膠電極在長期可穿戴健康監測中表現出色，克服了現有水凝膠電極的局限性。其超薄設計和納米網狀結構顯著提高了與皮膚的貼合性和佩戴舒適性，同時通過添加甘油和氯化鋰實現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出色，確保了長期佩戴的舒適性和健康性。

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