近日，广东以色列理工学院王燕副教授（共同通讯作者）课题组在《Science Advances》（Science Advances 2024, 10, eadj5389）上发表题为“A 10-micrometer-thick nanomesh-reinforced gas-permeable hydrogel skin sensor for long-term electrophysiological monitoring”的论文，对疾病的早期发现及治疗具有重要意义。该研究得到国家自然科学基金、广东省科技厅和李嘉诚基金会等项目的支持，论文的第一作者是博士生章宗漫。

作为《Science》子刊，《Science Advances》汇集了计算机、工程、环境、生命、数学等多个科学领域有世界级影响力的论文，有着严格的编辑和审稿流程，旨在提供一个顶级的科学研究出版平台，快速发表高水平且在相关领域有重要进展的研究成果。该期刊2023年的影响因子为14.957。

• 研究对象
  

皮肤生物电子的长时连续人体健康监测功能为及时疾病预防、筛查、诊断和治疗提供了有效途径，对于个性化健康医疗具有重要意义。水凝胶作为一类含有高水分的交联聚合物，由于其与生物组织的相似性以及在电学、力学和生物功能工程方面的多样性，已经在皮肤生物电子领域引起了广泛关注。水凝胶皮肤生物电子器件在健康相关应用领域表现出巨大潜力，如人体健康监测、人机界面、精准治疗等。然而，制备薄韧、透气、能够自粘附于人体皮肤实现长期日常使用 (>1 周) 的水凝胶传感器仍具挑战。

该论文研发了一种 10 微米厚的纳米网格增强型透气水凝胶皮肤传感器，它能在人体日常生活条件下自粘附于人体皮肤，并实现连续8天高质量电生理信号监测，对疾病的早期发现及治疗具有重要意义。

• 研究过程
  

该研究包括两个关键步骤：首先，设计明胶热敏相变水凝胶材料；其次，通过纳米网格增强结构实现超薄韧特性。由此得到水凝胶皮肤电极厚度低至10 微米，并表现出优异机械鲁棒性、皮肤粘附性、透气性和抗失水性能。为了展现其在疾病早期发现及治疗方面的应用，课题组展示了在日常穿戴条件下该水凝胶电极对人体心电图、肌电图、运动传导速度、眼电图、脑电图、听觉脑干反应、视觉诱发电位等信号的高保真长期连续监测。

图1. 用于长期连续电生理监测的10微米厚的纳米网格增强型透气水凝胶皮肤传感器。(A) PU纳米网格增强水凝胶设计示意图。(B)超薄水凝胶用于长期连续电生理信号监测，如心电图、肌电图、运动传导速度、眼电图、脑电图、听觉脑干反应和视觉诱发电位。(C) 超薄水凝胶附着在阳极氧化铝基板上的横截面扫描电子显微镜图像。刻度尺，10微米。(D) 机械鲁棒性：超薄水凝胶支撑大量水分。拉伸应力(??)：σ=Pr/2t。其中P、r和t分别为水的压力、曲率半径和超薄水凝胶的厚度。刻度尺，1厘米。(E) 超薄水凝胶从人体皮肤上剥离的照片，显示出良好的附着性和高弹性。刻度尺，1厘米。

图2. 热响应相变水凝胶材料和超薄水凝胶的表征。(A) 在高温（55℃）和室温（25℃）下拍摄的水凝胶照片和红外摄像机图像，说明它们温度依赖的相变特性。刻度尺，1厘米。(B) 不同配方的水凝胶溶液在从75℃到10℃的温度扫描中的流变特性，显示它们在粘性液态和弹性凝胶态之间的转变。(C) 从（B）计算得到的相应tanδ (G″/G′)。(D) 不同配方的水凝胶和超薄水凝胶的傅立叶变换红外光谱（FTIR）。(E) GGBWNa和PU0.3-GGBWNa的光学透射率，插图展示了超薄水凝胶与绿叶紧密贴合。刻度尺，1厘米。(F) 冻干超薄水凝胶内部结构的扫描电子显微镜图像。刻度尺，5微米。(G) 未覆盖的瓶子、覆盖有1000微米厚PDMS薄膜的瓶子和覆盖有约10微米厚超薄水凝胶的瓶子的水蒸气透过率比较。(H) 在室温环境下，超薄水凝胶的抗失水性能持续21天。(I) 水凝胶和PU纳米网格增强水凝胶的厚度比较。误差条表示测量值的标准偏差（SD）（n = 3）。

图3. PU纳米网格增强水凝胶的力学和粘附特性。(A) PU纳米网格、水凝胶和PU纳米网格增强水凝胶的拉伸应力曲线。(B) 从（A）计算得到的PU纳米网格增强水凝胶的杨氏模量和韧度比较。(C) 在100%应变下，超薄水凝胶的循环拉伸/回复曲线。(D) 照片展示了在粘附分离实验中超薄水凝胶从人工皮肤上剥离的过程。刻度尺，1厘米。(E) PU纳米网格增强水凝胶的力程曲线。(F) PU纳米网格增强水凝胶在人工皮肤上的面积粘附能和分离行程比较。(G) 显微镜图像显示了超薄水凝胶无缝附着在人体皮肤上。刻度尺，1厘米。(H) 超薄水凝胶在200次附着/分离粘附循环期间的标准化粘附能。误差条表示测量值的标准偏差（SD）（n = 3）。

图4. 超薄透气水凝胶传感器在日常生活条件下进行长期连续高保真心电信息（ECG）监测。(A) 商用凝胶和超薄水凝胶的皮肤-电极接触阻抗分析。(B) 超薄水凝胶附着在受试者胸部用于测量ECG信号的示意图。(C) 静坐状态下商用凝胶（上图）和超薄水凝胶（下图）记录的ECG信号。(D) 超薄水凝胶在第1天上午11点到晚上11点期间监测各种正常日常活动的ECG信号监测（上图）和心率结果（下图）。插图显示了放大的数据段。(E) 第2天到第7天的ECG信号监测，插图显示了放大的数据段。(F) 超薄水凝胶在第8天下午2点到第2天上午2点期间监测各种正常日常活动的ECG信号监测（上图）和心率结果（下图），单位为任意单位（a.u.）。

图5. 超薄透气水凝胶传感器进行的其他长期高保真电生理监测。(A) 测量MCV信号的实验设置示意图。(B) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的MCV信号。(C) 测量EOG信号的实验设置示意图。(D) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的EOG信号。(E) 测量EEG信号的实验设置示意图。(F) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的EEG alpha节律。(G) 从(F)获取的EEG信号的功率谱密度。(H) 测量ABR信号的实验设置示意图。(I) 商用凝胶和水凝胶记录的ABR波形。(J) 测量VEP信号的实验设置示意图。(K) 商用凝胶和超薄水凝胶记录的VEP信号。所有提到的生理信号在连续佩戴24小时期间进行监测，单位为任意单位（a.u.）。

• 研究结果

这项工作标志着水凝胶皮肤传感器从厚重缺乏透气性的外形尺寸特征演化到透气薄韧。然而，为了适应极端环境，如极端温度、湿度、机械损伤以及酸性/碱性环境等，需要先进材料开发，以同时获得特定适应性属性，实现长期连续的人体关键生理信号监测应用。此外，在数字健康领域以及人体/脑机接口中，还需整合人工智能，以实现精准诊断、治疗及控制。这项工作为面向长时连续人体健康监测水凝胶皮肤生物电子的未来发展提供了新的材料和结构途径，代表了迈向非侵入式个性化医疗保健的重要一步。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5389

王燕

化学工程 副教授

王燕博士于2021年11月加入广东以色列理工学院（Guangdong Technion，以色列理工学院中国校区）化学工程系，任副教授，独立pi，博士生导师。她于2018年博士毕业于澳大利亚蒙纳士大学，于2021年在日本东京大学电子电工系完成博士后研究。王燕博士在柔性电子相关领域顶尖学术刊物，如Science、Nature Electronics、Science Advances、PNAS、Chemical Society Reviews、Advanced Energy Materials、ACS Nano等上发表论文40+篇，其中IF大于10的25篇，谷歌H因子为27，ESI高被引论文3篇；授权澳大利亚专利1项、申请美国专利2项、日本专利转化1项；获得2018国家优秀自费留学生奖学金等奖项（每年全球500人）。相关研究成果被CNN、Science、澳大利亚主流媒体如Herald Sun和日本日刊工业新闻等知名媒体亮点报道。

文/图：由王燕提供、GTIIT传媒与公共事务部