基于原位凝胶化的高保形电生物粘附界面及其在肌电信号监测中的应用

针对导电聚合物水凝胶（CPHs）电生物粘附界面（EBIs）存在的低保形性和凝胶时间长等问题，研究人员通过聚（乙烯醇）（PVA）/聚丙烯酸（PAA）与聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）复合，以硼砂为交联剂开发了喷雾辅助原位凝胶化EBI。该界面具有高导电性（0.96 S m-1 ）、超强粘附力（69.22 kPa）和稳定电化学性能，其肌电信号信噪比（SNR）达24.74 dB，优于商用电极，为生物界面和健康监测提供了新策略。

　　

在可穿戴生物电子设备快速发展的背景下，导电聚合物水凝胶（CPHs）因其优异的生物相容性、低模量和机电性能成为研究热点。然而，传统刚性电子界面与生物表皮接触时易导致皮肤损伤、界面接触不良和测量精度低等问题。尽管CPHs基电生物粘附界面（EBIs）能部分缓解这些问题，但其低保形性和长达数小时的凝胶时间仍限制实际应用。例如，肌电信号（EMG）监测对康复医学至关重要，但现有电极难以同时满足高保形粘附和高信噪比（SNR）需求。此外，传统凝胶方法还存在机电性能不匹配、水分流失和监测时间短等缺陷。

为解决上述问题，研究人员开发了一种喷雾辅助原位凝胶化EBI。该技术通过将PVA/PAA粘附网络与PEDOT:PSS导电聚合物结合，以硼砂溶液为交联剂，实现了快速凝胶化（数秒至分钟级）和高保形粘附。关键技术包括：喷雾辅助成膜加速凝胶过程；动态硼酸酯键交联提升界面稳定性；3D打印技术实现电极几何形状可编程控制。研究还通过电化学测试（10⁴
次双向脉冲循环）和人体EMG监测验证性能。

研究结果

1. 材料设计与原位凝胶制备：PVA提供交联位点，PAA羧基增强粘附，PEDOT:PSS构建导电网络。硼砂交联形成动态键，使凝胶兼具高拉伸性（>500%应变）和自修复性。
2. 电化学性能：原位凝胶电极电导率达0.96 S m^-1
   ，界面阻抗低于商用Ag/AgCl电极，且在循环测试中电流密度波动<1%。
3. EMG监测应用：在500 N握力测试中，SNR达24.74 dB，优于商用电极（~18 dB）。3D打印电极可精准贴合皮肤褶皱，长时间监测无脱落或过敏反应。

结论与意义
该研究通过原位凝胶化策略成功解决了EBIs的保形粘附与快速成型矛盾。动态交联网络设计使电极兼具高导电性和机械稳定性，喷雾与3D打印技术则为规模化应用提供可能。其SNR提升和生物安全性为精准医疗监测（如神经肌肉疾病诊断）开辟了新途径。未来可通过优化交联密度进一步延长监测时长，或拓展至心电图（ECG）等多生理信号同步采集领域。论文发表于《Applied Materials Today》，第一作者Xiaoli Zhang团队的工作标志着柔性生物电子界面向临床实用化迈出关键一步。