近日，國際權威期刊《Advanced Functional Materials》上刊發華中科技大學吳豪團隊在柔性電子醫工交叉領域的新成果，題為“ A Nepenthes-inspired hydrogel hybrid system for sweat-wicking electrophysiological signal recording during exercises ”( 可定向排汗的仿生豬籠草水凝膠混合電子系統用于運動電生理監測) ，華中科技大學在讀博士生楊淦光為論文第一作者，碩士生蘭兆剛為共同第一作者，吳豪教授為通訊作者, 謝斌博士為共同通訊作者。

實時監測運動過程中的電生理信號（如心電圖、肌電圖）具有重要的臨床意義。例如，心電圖提供對心臟健康狀態的即時反饋，有助于發現潛在的心律失常和心臟異常；肌電圖可用于顯示肌肉活動水平和功能狀態，從而評估肌肉疲勞。全球每年有超過400萬在運動過程中發生心臟驟停和肌肉損傷的病例，并呈不斷增加的趨勢。實現心電、肌電等電生理信號的高精度監測，對促進訓練安全、降低損傷風險至關重要。盡管已開發了用于檢測電生理信號的商業電極/系統，但由于固有的缺陷，如拉伸性差、高模量和低粘附性，剛性器件與皮膚的模量不匹配導致無法保型貼附，穿戴不適。此外，運動過程中，皮膚界面處的汗液分泌會導致商用器件粘性顯著下降，同時長時間的汗液殘留易導致皮膚刺激，實際應用受到嚴重限制。因此，如何保證電極系統的穿著舒適性、無縫集成、減輕汗液干擾，同時實現高保真信號采集成為運動過程中電生理監測的研究關鍵。

近日，華中科技大學吳豪團隊開發了一種可定向排汗的仿生豬籠草水凝膠混合電子系統，用于構建緊密貼附和快速定向排汗水凝膠/皮膚界面，實現運動過程中高保真度電生理信號采集。通過對聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAAC)基雙網絡水凝膠進行粘性基團修飾和調控交聯條件，水凝膠界面層黏性強度提高6倍。并采用倒模-凍融聚合工藝制備仿生豬籠草微結構，水凝膠層的液滴定向傳輸速度提高4.5倍。進一步將仿生豬籠草水凝膠組裝到金修飾的聚酰亞胺(PI)基底上以制備仿生豬籠草水凝膠(NIH)電極。由于仿生豬籠草微結構的定向汗液輸送作用，在持續人工汗液注入過程中，水凝膠電極始終與皮膚保持穩定貼附。此外，與商用電極和無水凝膠修飾電極相比，NIH電極在干燥和出汗狀態下表現出最低的接觸阻抗。在復雜工況下(如振動和出汗)，NIH電極依然能夠采集高質量的肌電信號，信噪比始終大于19 dB。研究人員進一步將NIH電極組裝到柔性電路中，制備無線仿生豬籠草水凝膠混合電子系統。由于硅膠軟連接和鏤空結構設計，該系統具有優異可拉伸性同時可有效避免電極接口處應力集中。在運動狀態下，該系統成功實現了高保真心電圖波形和心率的實時采集，且相對誤差小于2.6%，驗證了NIH系統在高精度電生理監測中的應用潛力。

圖1. 仿生豬籠草水凝膠混合電子系統的設計。

圖2. 水凝膠界面層的力學性能

圖3. 仿生豬籠草水凝膠的設計原理和表征。

圖4. 仿生豬籠草水凝膠電極性能評估

圖5. 用于無線心電監測的仿生豬籠草水凝膠混合系統。

相關工作得到了國家自然科學基金項目(52350121,U2013213, 92048302, 52188102)以及華中科技大學機械科學與工程學院STAR項目的支持。

相關鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417841

來源：高分子科學前沿