Adv Funct Mater：超柔可拉伸永磁弹性体：面向神经肌肉疾病的无线矢量运动监测

      随着脑机交互、神经肌肉疾病居家康复监测产业快速发展，传统穿戴传感器件多依赖刚性电路与外接引线，仅能捕捉形变幅度而无法识别运动矢量方向。而现有磁性柔性材料普遍存在皮肤柔顺性与剩余磁化强度难以兼顾的技术瓶颈，高磁填料会大幅提升基材硬度，低填充又造成剩磁不足、需外加偏置磁体，极大限制无源无线体表监测设备的临床转化落地。西安交通张齐、张晓辉课题组依托阿拉伯胶 - 聚丙烯酰胺双网络水凝胶体系，采用 Nd³⁺/Fe³⁺离子配位原位交联的创新设计，破解磁粉与软基质的性能制衡难题，研发全柔性永磁弹性水凝胶（HPME），构建无源无线矢量人体运动传感一体化平台。

     该自研永磁水凝胶依托离子配位锚定钕铁硼颗粒，实现高磁填充下仍保有类皮肤力学特性，弹性模量低至 9.86 kPa、极限拉伸率可达 732%，剩余磁化强度 62.5 emu/g 且常温环境可稳定维持 10 天。同时，引入氯化锂保湿组分实现长效抗失水，细胞生物相容性优异、水凝胶自带粘附特性，可无胶贴合各类人体体表基材。依托三维磁场矢量响应机理，搭配微型三轴磁传感模块，无需导线、内置电源与外置永磁体，即可无源无线解析弯折、扭转多维度运动，传感覆盖 0.5~20 Hz 全频段生理振动。在帕金森病理性震颤筛查、异常步态识别、颈椎四向屈伸实时监测场景完成系统验证，可精准区分健康肢体活动与病态震颤、紊乱步态，对长期不良颈椎姿态实时预警，经反复循环形变后磁信号与界面粘附性能保持稳定。

      综上，本研究攻克传统磁性弹性材料软硬性能无法兼容的行业短板，以单一水凝胶材料集成永磁发生、多向运动传感双重功能，器件结构极简、穿戴舒适性大幅提升，实现居家无创长效神经肌肉病变早筛与康复动态监测。该系统也能够为帕金森病、骨关节劳损相关慢病居家管理、穿戴式脑-机接口运动采集提供全新材料方案，有力推动柔性生物传感与康复临床医学交叉落地。

• 破解软度 - 剩磁固有矛盾：首创 Nd³⁺/Fe³⁺离子配位交联双网络水凝胶体系，依靠金属离子原位锚定钕铁硼磁粒。该水凝胶在高磁填料下仍实现 9.86 kPa 类皮肤模量、732% 超大拉伸。而且，剩磁可达 62.5 emu/g 并稳定留存10天，攻克传统磁弹性材料高磁必变硬的技术痛点，辅以氯化锂保湿实现长效抗干燥。

• 无源无线矢量传感新机理：依托材料各向异性永磁特征，形变即可改变三维磁场分布。而且额外搭配三轴霍尔探头，无需引线、电池与外置偏置磁铁，单贴片就能区分前后屈伸、左右扭转四类运动方向，省去复杂算法即可解析运动矢量。

• 面向神经肌肉疾病的临床实用化：材料生物相容性优良、自粘附皮肤无刺激，完成帕金森震颤、异常步态、颈椎劳损多场景实测。同时也可居家连续监测、异常姿态智能预警，反复形变后传感性能稳定，满足帕金森、骨关节病早期筛查与康复随访。

  
  

图 1 HPME 基人体运动传感器结构与原理

(A) 基于永磁水凝胶弹性体（HPME）的无源无线运动传感原理示意图，用于帕金森震颤、运动迟缓与关节病变监测。(B) 接收传感模组与配套手机监测软件界面。(C) 三明治分层结构示意图：封装层+功能层双网络水凝胶架构。(D) 功能层分子机理：依托钕 / 铁离子配位键实现磁颗粒与水凝胶骨架稳固键合。(E) 材料高拉伸与弹性回复实物展示。(F) 本材料与现有各类柔性磁材料在拉伸、模量、剩磁、生物相容性、可程控磁性五大性能指标对比。

图 2 HP 材料理化与生物性能表征

(A) 不同阿拉伯胶（GA）含量水凝胶基材应力 - 应变曲线。(B) 不同 GA 配比下材料弹性模量与断裂韧性。(C) 不同钕铁硼填料含量 HPME 拉伸曲线。(D) 有无 MBA 化学交联、离子配位交联的拉曼光谱对比。(E) 钕铁硼填充量对模量、韧性的变化规律。(F) 不同磁粉含量试样循环拉伸曲线。(G) 不同填料配比、定向排布 / 无序排布材料磁滞回线。(H) 平行磁化后材料表面磁场分布云图。(I) 正弦构型磁化对应的表面磁场分布。(J) HPME 与培养皿对照组的骨骼肌活死细胞染色（细胞相容性）。(K) 水凝胶在铜、塑料、木材等多种基材表面的粘附性能。(L) 有无氯化锂添加，常温放置 10 天后试样保水外观对比。(M) 不同磁含量体系下 LiCl 对材料保水率的影响。

图 3 振动与多向应变传感性能测试

(A) 振动测试系统组装示意图。(B) 不同磁粉含量试样，磁场强度随距离衰减变化曲线。(C) 不同振动幅值对应的传感输出。(D) 0.5–20 Hz 宽频振动响应特性。(E) 悬臂阻尼振动测试装置示意图。(F) 悬臂自由衰减振动实时磁场信号。(G) 振动信号傅里叶频谱分析。(H) 绕 Z 轴前后弯曲仿真磁场分布。(I) 实测弯曲对应的三轴磁场变化。(J) 绕 Y 轴左右扭转仿真磁场分布。(K) 实测扭转对应的三轴磁场变化。

图 4 帕金森相关运动体征监测

(A) 手部震颤测试贴片粘贴方案。(B) 健康人、轻症、重症震颤实时传感波形。(C) 震颤信号短时傅里叶频谱。(D) 手臂自主运动与病理性抖动信号对比。(E) 书写障碍监测贴附方案。(F) 健康与帕金森模拟患者书写笔迹对照。(G/H：健康人书写时域波形与频谱；I/J：病态书写波形与频谱)。(K) 正常 / 异常步态实时监测曲线。(L) 步态频率频谱对比。(M) 步频、步长数据量化统计。

图 5  多方位脊柱姿态矢量监测

(A) 上臂双侧贴片用于肢体摆动监测示意图。(B) 手臂往复运动对应的三轴磁场实时变化。(C) 单次完整动作各阶段特征信号。(D) 颈椎前屈、后伸、左扭、右扭四类动作的分组信号（每组 10 次重复）。(E) 伏案久坐颈椎长时间连续监测原始数据。(F) 手机终端：动作计数+异常久坐 / 歪颈弹窗提醒界面。