Nat Commun：嵌入式增强结构柔性水凝胶网络构筑共生型皮肤-水凝胶界面

     穿戴电生理监测是解码人体 “电信号语言”、实现健康状态早期评估的核心技术。柔性水凝胶电极作为保障信号采集质量的关键界面，却普遍存在脱水失稳、透气性差、界面易剪切滑移等固有缺陷。而常用的高浓度甘油保水策略还会稀释导电离子、升高界面阻抗，导致长期佩戴下信号基线漂移、皮肤舒适度差，难以满足高精度、长时程电生理监测的实际需求。针对上述技术瓶颈，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽、李连辉团队联合南京医科大学等单位，创新性地将含氯化钠的聚乙烯醇（PVA）水凝胶嵌入氧化静电纺丝三维多孔聚乳酸（PLA）骨架，构筑了嵌入界面增强型透气导电水凝胶网络（BCHN），形成与皮肤动态共生的微环境界面，研制出可长期高保真工作的柔性电生理电极。

     该嵌入式互穿网络结构赋予电极多重核心性能优势，多孔 PLA 骨架与嵌入水凝胶形成的协同结构既通过连续开孔通道实现了 1.85 kg・m⁻²・day⁻¹ 的高透气率（约为人体皮肤的 3 倍），又通过丰富的亲水位点动态捕获水分，使电极可无缝贴合皮肤微观纹理。其次，通过汗液捕获、渗透与蒸发的动态平衡维持界面水合与导电稳定，在 20% 低湿度环境下仍保持 55 Ω 的稳定阻抗，从根本上解决了传统闭塞式电极闷热积汗、脱水失效、信号漂移的痛点。同时，三维互穿网络构建出聚合物链跳跃与类液相离子扩散耦合的混合导电路径，大幅提升导电通路密度、缩短离子传输距离，1 kHz 下界面阻抗低至 19.93 Ω，离子电导率达 1.43 S・m⁻¹，在 0.1 Hz~10 kHz 的生理电信号全频段内信号跟踪相位延迟 < 0.5°、幅度衰减 < 0.1%，电荷注入容量达 0.535 mC・cm⁻²，千次循环后性能无明显衰减，且电极弯曲刚度低至 10⁻¹⁰ N・m²，具备极佳的力学柔顺性与界面贴合性，运动出汗场景下界面接触稳定，适配长期穿戴场景。

    在应用验证层面，该电极可同时适配心电（ECG）、肌电（EMG）、脑电（EEG）多模态电生理信号采集，心电监测中 P-QRS-T 波形清晰稳定。该文章将其集成到无线可穿戴脑电系统后，可精准分辨专注、放松、疲劳等不同认知状态的脑电频谱特征，在实车 5 小时连续驾驶场景中，通过 θ/α 比等多维度脑电指标实现了驾驶疲劳的定量评估与实时预警。

    总之，该工作提出的嵌入增强型共生皮肤水凝胶界面，突破了传统水凝胶电极 “保湿能力-透气性能-导电阻抗” 之间的固有性能权衡，实现了超长时稳定、高保真、舒适化的可穿戴电生理监测，为下一代个性化健康监护、智能人机交互、疲劳安全防控领域的核心器件研发提供了全新方案，也为柔性离子导电界面的结构设计与功能调控开辟了新思路。

• 首创共生型嵌入增强水凝胶界面。创新性地将含氯化钠的聚乙烯醇水凝胶嵌入氧化静电纺丝三维多孔聚乳酸骨架，构筑嵌入界面增强型透气导电水凝胶网络（BCHN），形成与皮肤动态平衡的共生微环境界面。同时，通过汗液捕获、渗透与蒸发的自主调控维持界面水合与导电稳定，从结构根源上突破了传统水凝胶电极 “保湿能力 - 透气性能 - 导电阻抗” 无法兼顾的固有性能瓶颈。

• 实现低阻抗与高透气性的协同优化。塞贝克效应输出温度电压信号，层间接触面积变化输出压力电阻信号，温度响应时间0.9 s，压力灵敏度0.94 % kPa⁻¹，空气与水下环境中温度、压力信号互不干扰，摆脱传统器件多材料复合与额外防水依赖。

• 支撑多模态长时程高保真电生理监测。该电极可同步实现心电、肌电、脑电多模态信号的高质量采集，运动出汗场景下信号稳定无漂移。集成无线可穿戴系统后，可精准分辨专注、放松、疲劳等认知状态的脑电频谱特征，在实车 5 小时连续驾驶场景中通过多维度脑电指标实现了驾驶疲劳的定量评估与实时预警，为下一代可穿戴健康监测与智能人机交互提供了可靠的核心器件方案。

图 1 透气导电水凝胶网络（BCHN）的结构设计与多功能特性。(a) 用于多模态电生理监测（EEG、ECG、EMG）的 BCHN 电极结构示意图，该电极由嵌入PVA水凝胶氧化聚乳酸纳米纤维构成。(b) 多孔 PLA 纤维与水凝胶包覆 BCHN 结构的扫描电镜图。(c) 不同 PVA 负载浓度下 PLA 基底与 BCHN 电极的孔隙率。(d) 不同 PVA 浓度包覆薄膜的水蒸气透过率（WVTR）。(e) 不同厚度 BCHN 电极的水蒸气透过率与总失水率。(f) BCHN 电极无缝贴合于人体皮肤的光学照片。(g) 人体不同部位皮肤表面微沟槽的宽度与深度分布。(h) 不同厚度 BCHN 电极的弯曲模量。

图 2 多孔型与光滑型 BCHN 电极的电学性能表征。(a-b) 多孔型（a）与光滑型（b）纳米纤维水凝胶中导电路径的原理对比。 (c) 不同 NaCl 浓度下 BCHN 电极在 1 kHz 处的阻抗值。(d) 充分水合的 BCHN 电极在不同 NaCl 浓度下、1~100 000 Hz 范围内的阻抗谱。(e) 本工作与已有研究的 1 kHz 阻抗及水蒸气透过率对比。 (f-i) 多孔型（f-g）与光滑型（h-i）水凝胶电极在 1 Vpp 方波刺激、0.1~10 000 Hz 频率范围内的电压响应，通过同步采集输入与输出信号模拟生理电信号频率范围。

图 3 BCHN 电极的水分平衡微环境与湿度自适应电化学行为。(a) BCHN 电极在低、高水合状态下的水分调控机制示意图，可同时吸收皮肤汗液与环境空气中的水分。(b) 相同离子浓度、不同含水量下 BCHN 电极的电化学阻抗谱（EIS）。含水量以冻融循环后的平衡状态为基准归一化（100%），高于 100% 表示相对于该基准的额外吸水量。(c) 静息与运动状态下，电极在 10 Hz 和 1000 Hz 处的皮肤接触阻抗，及对应的电极 - 皮肤界面光学照片。(d) 不同相对湿度（RH）下，BCHN 电极在空气与皮肤表面的水分蒸发通量、吸收通量、净传输通量及保水率分析。(e) BCHN 电极在空气与皮肤表面的质量及1 kHz 阻抗随时间的变化，验证水合平衡与阻抗稳定性。(f) 不同相对湿度，BCHN电极在空气与皮肤表面离子电导率。(g) 60% 相对湿度下，BCHN 电极从空气转移至皮肤表面时离子电导率与质量的动态变化。

图 5 基于 BCHN 电极的脑电监测与认知状态区分。(a) BCHN 电极与丝网印刷电极、蓝牙模块的集成系统，包括前额佩戴方式及用于脑电实时可视化的智能手机交互界面。(b) 集成系统采集的 FP1 与 FP2 通道实时脑电波形。(c) 专注与放松状态下的脑电频谱特征及对应的功率谱密度（PSD）分析。(e) 测量开始与结束时，BCHN 电极与商用电极的信号漂移对比。(f-i) 专注状态：(f) 原理示意图；(g) 典型脑电波形与频谱图；(h) 功率谱密度分布；(i) 额叶 α 波不对称性（FAA，FP1–FP2）。(j-m) 放松状态：(j) 原理示意图；(k) 典型脑电波形与频谱图；(l) 功率谱密度分布；(m) 额叶 α 波不对称性分析。

图 6 BCHN 电极在驾驶疲劳长期脑电监测中的实际应用。(a-d) 真实驾驶场景下的四种典型认知状态：连续驾驶 5 h 后的初始警觉、轻度疲劳、音乐诱导放松及重度疲劳状态。(e) 连续双通道（FP1 与 FP2）脑电采集波形。(f-j) 四种基于脑电的疲劳指数（TPR、TAR、TBR、ABR）的变化趋势。(k) 多指数融合得到的疲劳等级评估得分。

本研究成功开发了一种嵌入界面增强型透气导电水凝胶网络（BCHN），通过将含氯化钠的 PVA 水凝胶原位嵌入氧化静电纺丝三维多孔 PLA 骨架，构建出与皮肤动态共生的电生理传感界面。研究证实，该嵌入式互穿网络结构可同时实现多重性能协同优化：其一，多孔 PLA 骨架与嵌入水凝胶形成协同调控体系，在保持 1.85 kg・m⁻²・day⁻¹ 高透气性（约为人体皮肤 3 倍）的同时，通过丰富的亲水位点与动态水汽交换实现界面水合自主调控，20% 低湿度环境下仍维持 55 Ω 的稳定阻抗，且仅需低浓度甘油即可实现长期保湿，避免了传统高甘油配方的离子稀释与黏腻问题；其二，三维连通的水凝胶网络构建出聚合物链跳跃与类液相离子扩散耦合的混合导电路径，1 kHz 下界面阻抗低至 19.93 Ω，离子电导率达 1.43 S・m⁻¹，在生理电信号全频段内实现了低延迟、低衰减的高保真信号跟踪，且力学柔顺性优异，可无缝贴合皮肤微观纹理，抑制界面滑移与运动伪影。BCHN 电极可同时适配心电、肌电、脑电多模态电生理信号采集，连续佩戴 30 天仍维持 25 dB 以上的信噪比，显著优于商用凝胶电极。最后，将本水凝胶集成到无线可穿戴系统后，可精准分辨不同认知状态的脑电频谱特征，在实车长时驾驶场景中实现了驾驶疲劳的定量评估与实时预警。

     综上，本研究提出的共生型皮肤-水凝胶界面设计策略，实现了透气保湿、低阻抗导电、高力学适配性的一体化集成。该研究为下一代长时程、高保真可穿戴生物电子器件提供了核心技术支撑，也为柔性离子导电界面的结构设计与功能调控提供了新的研究思路，在个性化健康监护、智能人机交互、作业安全防控等领域具有广阔的应用前景。

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