亚400纳米厚皮肤与环境自适应型有机水凝胶纳米薄膜表皮电极

《Nature Communications》：Sub-400 nanometer-thick skin and environment adaptable organohydrogel nanofilm epidermal electrode

本刊推荐：为解决传统水凝胶在长期健康监测中难以兼顾皮肤舒适性与环境适应性的挑战，研究人员开发了一种392纳米厚的有机水凝胶纳米薄膜电极。该电极通过明胶-京尼平交联网络、聚氨酯纳米网格增强和甘油/氯化钠/单宁酸电解质塑化，实现了超低弯曲刚度（8.7×10-11 nN·m）、高拉伸性（166.3%应变）和极端环境稳定性（-80~150°C、2%相对湿度、真空）。其连续9天稳定采集心电图信号的能力为极端环境下的生物电子学提供了新平台。

　　

随着柔性生物电子技术的快速发展，水凝胶因其与生物组织相似的柔软性、高含水率和可调控的化学性质，被视为新一代表皮贴合式健康监测设备的理想材料。然而，传统水凝胶在长期应用时面临一个核心矛盾：既要完美贴合皮肤、保证透气排汗的舒适性，又需在极端温度、干燥或真空环境下保持稳定的电学与机械性能。现有技术中，降低薄膜厚度虽能提升透气性和贴合度，但往往以牺牲力学强度和抗脱水能力为代价。如何打破这一瓶颈，成为推动可穿戴医疗设备迈向实际应用的关键。

针对这一挑战，广东以色列理工学院王艳团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出了一种突破性的解决方案——亚400纳米厚度的有机水凝胶纳米薄膜电极。该电极通过多级结构设计，首次实现了皮肤适应性与环境耐受性的高效统一。研究团队采用循序渐进的浸涂工艺，先在电纺聚氨酯（PU）纳米网格上依次涂覆京尼平（genipin）交联剂和明胶溶液，再经三元电解质（甘油/氯化钠/单宁酸）置换游离水，最终形成仅392纳米厚的复合薄膜。这种“钢筋混凝土”式的结构使薄膜兼具超低弯曲刚度（8.7×10^-11 nN·m）与高韧性（3.0 MJ/m³），其拉伸应变达166.3%，并能承受1000次100%应变的循环加载。

关键技术方法包括：利用电纺技术制备聚氨酯纳米网格作为支撑骨架；通过京尼平与明胶的共价交联构建稳定网络；采用三元电解质溶液进行溶剂置换以抑制冰晶形成和水分子蒸发；通过粘附分离实验、热重分析、气体渗透性测试等系统评估力学、环境适应性与生物相容性。所有人体实验均经广东以色列理工学院伦理委员会批准（批号E20240902001），并采用商用无线模块采集生理信号。

机械与粘附性能

通过调控明胶含量、京尼平交联密度和纳米网格密度，团队优化了薄膜的力学性能。当京尼平添加量为60毫克时，薄膜拉伸强度达2.2 MPa，较物理交联对照组提升4.5倍。纳米网格的引入使韧性提升163倍，而单宁酸的加入进一步通过氢键增强界面粘附力，使薄膜与人体皮肤的粘附能达365.8 μJ/cm²。值得注意的是，其弯曲刚度显著低于角质层（1.1×10^-10 nN·m）和真皮层（6.7×10^-5 nN·m），确保了对皮肤纹理的高度贴合。

皮肤适应性

薄膜的透气性与亲水性直接关系到佩戴舒适度。研究显示，392纳米厚薄膜的水蒸气透过率（WVTR）在37°C时达3069.7 g/m²·天，接近开放容器的99.3%。在运动实验中，薄膜覆盖的皮肤温度与裸露皮肤基本一致，而商用凝胶电极因汗液积聚导致温度升高超2°C。阻抗测试进一步证实，薄膜电极在运动后能迅速恢复基线阻抗，避免了商用凝胶因汗液渗透导致的脱落问题。

环境适应性

三元电解质的引入使薄膜在-80°C至150°C范围内保持柔韧，差示扫描量热（DSC）曲线显示其无冰晶形成放热峰。热重分析（TGA）表明，甘油置换使热分解起始温度提升至187.2°C。在极端环境（-80°C、150°C、2%相对湿度、真空）中储存30天后，薄膜仍保留92.7%的重量，且电学阻抗几乎无变化。此外，单宁酸赋予薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌能力，抑制圈直径达1.7-2.1厘米。

电生理信号监测

在连续9天的心电图（ECG）监测中，薄膜电极在跑步、睡眠等场景下均保持波形清晰，信噪比（SNR）始终高于32.2 dB。与商用凝胶电极相比，其汗液疏导能力有效避免了运动伪影。同时，在脑电图（EEG）α波、肌电图（EMG）及运动传导速度（MCV）测试中，薄膜电极均表现出与商用电极相当或更优的性能，且经极端环境储存后仍能稳定采集信号。

该研究通过纳米级结构创新，成功解决了水凝胶基电子器件在长期监测中环境稳定性与皮肤舒适性难以兼得的难题。其超薄设计不仅实现了类皮肤的力学兼容性，还通过溶剂工程突破了水凝胶的环境耐受极限。这种可规模化制备的薄膜为极地勘探、航空航天等特殊环境下的健康监测提供了可靠平台，也为下一代个性化医疗电子设备的设计开辟了新路径。