ACS Sens：用于颈痛早期干预的无感水凝胶电子皮肤：颈椎运动学与肌肉疲劳的多模态无线监测

颈部疼痛常因静态姿势（如高角度前屈）引发肌肉疲劳，早期易被忽视导致不可逆并发症，智能手机的普及加剧了这一问题。现有监测技术存在局限：传统方法（如体检、图像识别）精度不足，3D运动捕捉成本高且依赖实验室环境，惯性测量单元（IMUs）材料刚性导致不适。柔性水凝胶传感器虽有优势，但现有产品存在单模态功能、生物安全性验证不全面、临床精度依赖机器学习缺乏金标准验证等问题，亟需一种精准、无感的颈部行为评估方法。

针对目前可穿戴颈椎监测设备功能单一（多为纯应变或纯压力传感）、生物安全性验证不全面以及临床精准度不足等瓶颈 ，团队开发了一种具有无感穿戴特性的多模态水凝胶电子皮肤（Electronic Skin） 。该系统基于单锅法制备并经单宁酸（TA）浸泡改性的聚丙烯酰胺-卡拉胶（PCT）双网络导电水凝胶 ，成功在单一电极上实现了高保真应变传感与表面肌电（sEMG）信号的高效同步采集 。结合定制的柔性印刷电路板（FPCB）无线传输模块，该平台能对办公等真实场景下的颈椎运动学（姿态）及肌肉疲劳状态进行实时监测与分级预警，为颈痛的早期预防与居家远程康复提供了全新的精准生物力学及电生理一体化诊疗方案 。

•  “双效一体”水凝胶电极：本研究通过精细调控单宁酸的掺杂浓度（100 mg/mL），完美平衡了水凝胶的组织粘附性（12.1 kPa）、电导率（1.03 S/m）与机械拉伸性能（>300%）之间的固有权衡 。该PCT水凝胶电极不仅拉伸循环稳定性好 ，且采集的sEMG信号信噪比（SNR）高达 23.8 dB（在 5 kg 负载下），实现了高精度运动学与肌电生理信号的高保真、同位同步采集 。

• 引入fNIRS皮层疼痛映射：测试表明，受试者在长时佩戴该电子皮肤时，大脑初级躯体感觉皮层和前额叶皮层的氧合血红蛋白浓度未激活。结合皮肤红外血流热成像测定，从“皮肤到大脑”的轴线临床证明了其真正的“无感（Imperceptible）”穿戴安全性。

• 空间分离分频抗干扰布局：为了真正走向居家办公应用，团队开发了轻质、贴合皮表形态的柔性电路板（FPCB）。在系统架构上，巧妙采用“中央颈椎应变传感器 + 两侧斜方肌肌电阵列”的空间独立布局，结合应变电路（10 Hz采样）与肌电电路（1000 Hz采样）的深度分频隔离设计，彻底消除了多通路间的信号串扰。

  
  

Fig. 1 | 多模态电子皮肤的设计。(A) PCT水凝胶制备工艺示意图 。(B) PCT水凝胶优异的生物相容性与运动监测精度 。(C) 基于PCT水凝胶的多模态应变与表面肌电传感器可穿戴系统示意图 。(D) 定制化柔性印刷电路板（FPCB）的电路设计原理图及多模态电子皮肤在真实场景中的应用 。

Fig. 2 |PCT水凝胶基本性能表征 。(A) 搭接剪切测试示意图 。(B) 不同单宁酸（TA）浓度对PCT水凝胶粘附性能的影响 。(C) 不同单宁酸（TA）浓度对PCT水凝胶电导率的影响 。(D,E) 不同单宁酸（TA）浓度对PCT水凝胶力学性能的影响 。(F) 水凝胶的扫描电镜（SEM）微观形貌 。(G) 皮肤表面粘附测试 。(H) 反复贴附-剥离循环中的粘附稳定性 。(I,J) 阶梯式拉伸应变下的应力-应变曲线及能量耗散值 。(K,L) 在100%应变下进行20次连续快速循环过程中的应力-应变关系及能耗散值 。

Fig. 3 | PCT水凝胶的应变敏感性及循环稳定性表征。(A) 水凝胶的灵敏度（灵敏系数，Gauge Factor）曲线 。(B) 水凝胶在30%应变范围内的应变响应 。(C) 水凝胶在5%应变下的快速响应与恢复时间 。(D) 阶梯拉伸应变下水凝胶的相对电阻变化，包括其对微小应变（1-10%）的响应 。(E) 水凝胶在50%应变下进行1000次拉伸循环过程中的相对电阻变化 。

Fig. 4 | PCT水凝胶的生物相容性。(A) NIH/3T3细胞与PCT水凝胶提取物共培养后的活/死细胞荧光图像 。(B) 用水凝胶提取物培养的NIH/3T3细胞的定量细胞存活率 。(C) 呈现受试者在使用商业电极、PCT水凝胶或接受电刺激时大脑皮层激活状态的代表性功能近红外光谱（fNIRS）映射图 。(D,E) 四种测试条件下对应的大脑皮层氧合血红蛋白浓度的定量分析 。(F) 皮肤反应（红斑/残留物）测试结果 。(G) 皮肤表面红外血流热成像图 。(H) 皮肤表面温度的变化 。

Fig. 5 |PCT水凝胶在表面肌电（sEMG）采集与肌肉疲劳分析中的性能。(A) 用于表面肌电记录的等效电路模型 。(B) PCT水凝胶与商业电极的皮肤-电极接触阻抗对比 。(C) 不同负重负载下的肌电信号信噪比（SNR）对比 。(D) 经历50次反复屈伸循环后的粘附结果对比 。(E) 疲劳发生前后，从肱二头肌不同肌头记录到的表面肌电信号 。(F-I) 指示疲劳状态的sEMG信号的时域及频域特征分析 。(J) 在持续颈部屈曲过程中，上斜方肌（UT）平均功率频率（MPF）的连续监测曲线 。

Fig.6 | PCT水凝胶在人体关节及颈椎运动监测中的高精度验证。(A) 人体表面关节运动监测示意图 。(B,C) PCT传感器对不同关节机械运动的实时应变响应 。(D) 用于精准对标验证的红外3D运动捕捉系统场景 。(E) 颈部屈曲运动期间，双模信号同步采集的实验设置 。(F,G) PCT水凝胶测得的颈部运动曲线与3D运动捕捉系统测得的平均拟合角度位移曲线对比 。(H) 将传感器的电信号与运动学角度数据相关联的最佳拟合多项式数学模型 。(I) 传感器与3D运动捕捉数据之间的相关性散点图，展现出极高的一致性 。

Fig.7 | 系统集成及其在预防性医疗中的实际应用(A) 集成化电子皮肤全工作流的系统框图及硬件实物 。(B) 智能手机APP用户界面截图，显示实时、同步采集的多模态信号 。(C,D) 系统在两位不同受试者身上进行的真实世界运行演练以及疲劳/不良姿态报警激活过程展示 。

 本研究成功开发了一种基于单宁酸（TA）改性多丙烯酰胺-卡拉胶双网络（PCT）导电水凝胶的无感多模态可穿戴电子皮肤系统 。通过物理网络设计与分子互作优化，该材料在具备与人体皮肤杨氏模量完美适配的同时，兼具了优异的润湿抗汗稳定性与长时皮肤表面保形贴合能力。临床层面的多维安全与精准度评估证明：中枢无感感知：fNIRS受试皮层血氧映射与长时皮表红外热成像证实其不会引发大脑躯体感觉皮层的疼痛激活或外周微循环异常，具有空前的“无感”生物安全性 。定量运动捕获：在颈痛高发的微小应变区间（0-30%），传感器具有极高的线性响应特性，且与3D红外运动捕捉金标准呈现了极高的共线性相关（r = 0.9904），能精准实现全定量机械力学颈椎姿态捕获 。精准疲劳辨识：水凝胶电极阻抗表现优于传统市售商用凝胶片，能够灵敏监测长时伏案过程中斜方肌等核心肌群电生理特征的时频域演变（如MPF、MF指标的衰减），从而提前捕获比用户主观感受更早发生的早期肌肉疲劳 。该系统通过分频分区的无干扰柔性电路集成，成功打通了“材料合成 - 信号高保真采集-无线多模态传输-手机智能APP终端预警”的全链路闭环 。该项工作不仅为颈部亚健康痛症的主动干预与精准防控提供了强有力的数字化工具，更为未来跨学科智能化柔性电子皮肤在数字化慢病远程医疗（Telemedicine）和柔性人机交互（HMI）领域的无感化穿戴部署树立了新的范式 。

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