《Gels》：Strain-Insensitive Conductive Hydrogel Materials for Motion-Artifact-Free Flexible Bioelectronics
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柔性可拉伸电子器件在共形贴附于皮肤、软组织及动态器官时，不可避免地经历拉伸、压缩、弯曲和扭转。虽然形变引起的电学变化可作为运动传感器的目标信号，但在生理电极、温度/化学传感器、互连器件和刺激装置中，它们会导致电阻/阻抗漂移、基线偏移和灵敏度退化，从而引发运动伪
柔性可拉伸电子器件在共形贴附于皮肤、软组织及动态器官时，不可避免地经历拉伸、压缩、弯曲和扭转。虽然形变引起的电学变化可作为运动传感器的目标信号，但在生理电极、温度/化学传感器、互连器件和刺激装置中，它们会导致电阻/阻抗漂移、基线偏移和灵敏度退化，从而引发运动伪影并降低长期可靠性。水凝胶因具有高含水量、低模量、组织相容性和离子导电性，成为软生物电子界面的关键材料。然而，其导电网络在形变、脱水、溶胀和循环疲劳下易发生结构重构，这意味着可拉伸性绝不等同于应变不敏感性。本综述聚焦于特定应变窗口内稳定的电阻/阻抗和功能输出，综述了三种代表性材料体系：基于液态金属(LM)的复合水凝胶、导电聚合物/弹性网络复合水凝胶以及氢键各向同性结构。进一步总结了三种设计策略——几何与功能补偿、机械去耦与应变隔离、以及用于导电网络稳定的界面工程——并讨论了它们在可穿戴表皮和植入式生物电子学中的应用。最后，提出了统一的应变不敏感性评估指标，未来方向涵盖高导电-低模量协同、长期水/离子稳定性、稳健的软-硬界面、多轴形变耐受性和可规模化制造能力。
1. 引言
柔性电子器件在健康监测、人机交互和植入式医疗等领域具有巨大潜力，但其在服役过程中面临的动态形变干扰已成为核心瓶颈。人体皮肤和器官的生理运动会引发导电通路断裂与重构，导致电阻漂移、信号失真甚至功能失效。导电水凝胶凭借组织匹配的力学特性、生物相容性和离子/电子导电性，被认为是理想的生物集成电子基底材料。然而，传统均质导体的电阻随几何形变而改变， filler型导电水凝胶的导电网络在形变下易发生重构，导致电阻或阻抗显著漂移。因此，开发在宽应变范围内保持电学性能稳定的应变不敏感导电水凝胶成为关键研究方向。
2. 核心材料体系
2.1 液态金属(LM)基复合水凝胶材料
液态金属(LM)兼具金属的高导电性和液体的流动性，是构建应变不敏感导体的理想填料。将LM微滴分散于水凝胶基体中，可形成电子导电相与水相聚合物共存的复合体系。LM导电相本身不发生脆断，其流动、融合和自修复特性可抵消应变对导电网络的破坏。但单纯分散LM通常需要机械烧结或高填充量来形成连续通路，且存在泄漏和疲劳问题。有效的策略包括构建“固-液协同”双连续网络，利用刚性银微片、银纳米线等提供大尺度搭接，同时用LM填充微裂纹；以及通过界面融合增强LM与高含水基体间的结合力，缓解应力集中。层状重力驱动和界面融合打印等方法可进一步提高形变下的导电通路连续性。
2.2 导电聚合物与 hydrogel 基体
聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺和聚吡咯等本征导电聚合物具有优良的电子导电性，但其刚性分子链与亲水水凝胶基体存在热力学不相容性，在形变中易发生相分离和导电通路脆断。解决思路在于跨尺度锁定导电相与承载网络：在分子尺度，通过互穿网络、原位聚合和动态键构建双连续导电渗流网络，例如通过酸诱导原位相分离形成PEDOT:PSS双连续结构，利用π-π堆叠和氢键稳定电子传输路径。在宏观尺度，可采用Janus粘附与选择性键合设计，实现刚性-柔性互锁导电网络和空间分离的金属相，从而在保持高导电性的同时集成应变稳定性和界面定位功能。
3. 内在调控机制
3.1 氢键网络调控
水凝胶的应变依赖性主要源于链段取向、氢键断裂/重组和水迁移。研究发现，利用丙烯酸(AA)与[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵(DMAPS)之间的链间氢键可构建均匀聚合物基体；银纳米片通过双重锚定配位相互作用形成无取向连续导电网络。在拉伸时，氢键和动态Ag配位键可逆地断裂与重组，从而稳定导电通路，使材料在500%伸长率下电阻变化极小。
3.2 各向同性导电网络
传统单向冷冻铸造、应变诱导取向或条纹结构往往导致电学各向异性，难以承受多轴人体运动。构建统计各向同性的聚合物网络和表面结构是实现双轴应变不敏感的关键途径。各向同性设计的核心是平面内无择优取向的拓扑网络，可通过均匀交联或分级互穿实现。霍夫迈斯特效应提供了调控聚合物-水-离子相互作用的化学工具；利用特定阴离子的盐析效应可促进链聚集和结晶，重塑氢键网络，并构建随机取向的内部网络和均匀微棱锥表面结构。
4. 应变不敏感水凝胶器件的核心实现策略
4.1 几何与功能补偿策略
该策略通过导电网络、器件单元或功能介质的几何形态变化来吸收外部形变，或利用内在参数协同变化主动抵消应变影响。几何形变吸收路径包括将水凝胶导电层制成蛇形、屈曲和波浪形等结构，使宏观应变主要通过结构展开耗散。例如，自组装褶皱导电橡胶电极与聚丙烯酰胺(PAM)/NaCl离子水凝胶构成的电容式电极，通过褶皱逐层展开保持电容信号稳定。功能响应补偿则利用形变引起的其他物理参数变化反向补偿性能漂移，如分区几何水凝胶双模态传感器通过波浪形布线的几何-功能补偿实现温度与应变信号无串扰同步检测。
4.2 机械去耦与应变隔离策略
机械去耦策略通过器件级设计和力学路径调控，将外部宏观形变与局部功能区域的应变分离，使核心电子元件处于低应变或零应变状态。层状去耦架构采用“弹性支撑层-缓冲层-功能层”结构，外层高弹性基体承载大部分形变，中间低模量缓冲层通过自身变形耗散应力，从而将功能区域应变限制在极小范围。应变分布管理与物理隔离通过在功能区域周围布置应力集中结构或刚性隔离单元实现。岛-桥结构是典型代表，刚性干凝胶岛作为传感功能区域，柔性水凝胶桥承受全部拉伸形变，实现物理应变隔离，使温湿信号不受肢体拉伸干扰。
4.3 界面工程与导电网络稳定化策略
界面是应变下电失效的高发区域。界面工程通过调节水凝胶功能材料与弹性基体、不同功能层以及电极接触区的界面相互作用，提高粘附稳定性和导电通路连续性。层间界面调控是在导电填料表面引入活性官能团，与聚合物链形成氢键、配位键等动态相互作用，既改善分散性又限制填料过度滑动。双网络离子水凝胶利用动态可逆离子交联位点，在拉伸时通过离子键的可逆断裂与重组维持连续离子传输通道。此外，构建三维互连分级导电结构可在局部通路断裂时提供替代路径，提高宽应变范围内的导电可靠性。
5. 典型应用场景
5.1 可穿戴表皮电子
应变不敏感水凝胶电极可在运动条件下稳定记录心电图(ECG)、肌电图(EMG)和眼电图(EOG)信号，抑制运动伪影。与传统Ag/AgCl电极相比，此类电极在关节弯曲和肌肉收缩等大形变场景下保持低且稳定的接触阻抗，实现高保真电生理监测。在人体运动监测中，应变不敏感水凝胶可作为稳定信号传输线和参考电极，与应变敏感单元集成构建多模态传感系统，避免传输线形变引起的信号干扰。同时，良好的皮肤粘附性和生物相容性支持长期穿戴。
5.2 植入式生物电子
植入式器件需长期承受心脏、血管和器官的持续搏动，应变不敏感特性直接决定其长期可靠性与生物安全性。水凝胶电极可通过柔性界面与神经组织形成力学匹配，同时保持应变下阻抗稳定，实现精准电刺激和信号采集。例如，神经调控水凝胶电极在20%拉伸应变下1 kHz阻抗增幅小于20%，经万次循环仍保持稳定。在植入式传感与诊疗设备中，应变不敏感水凝胶可作为稳定封装材料和导电介质，屏蔽体内组织运动造成的机械干扰，保持传感器检测精度。同时，组织模拟的力学特性和动态离子交联缓冲能力可降低异物反应，提高长期植入稳定性。
6. 结论与展望
应变不敏感导电水凝胶突破了传统柔性导体“形变必然伴随性能漂移”的局限，从材料本征设计和器件结构工程两个维度建立了多种实现路径。材料层面，液态金属(LM)复合材料、导电聚合物界面调控和氢键网络设计分别从流体自修复、界面兼容性、填料桥接和分子网络稳定性角度实现应变不敏感导电性；器件层面，几何补偿、机械去耦和界面工程三种策略协同作用，在结构设计、力学传递和界面稳定等方面保障宽应变范围内的器件性能。然而，该领域尚未建立标准化、统一的评估指标体系。本研究提出以单位应变拉伸灵敏度(ΔR/R
0)/ε为核心评价指标，并辅以最大可承受断裂应变、本征电导率和应变因子(GF)三个辅助指标，实现变形耐受性、导电水平和应变响应敏感性的三维综合表征。未来仍需解决超大形变和长期循环下的导电稳定性、多功能集成与应变不敏感之间的平衡，以及可扩展制造和长期体内生物安全性等问题，重点发展方向包括多机制协同的本征应变不敏感材料、多场耦合下的设计理论，以及加速临床转化和工业化应用。
