Adv Sci：双工作模式纳米片水凝胶传感器构建人机与生理电接口

       水凝胶作为构建下一代皮肤电子器件的理想材料，在获取运动和生理活动产生的高精度电信号方面展现出独特优势，但其传感模式的区分与选择问题尚未得到有效解决。本研究创新性地提出了一种基于导电纳米片的新型水凝胶传感器设计方案：通过将大量聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）修饰的磺化纤维素纳米片（PEDOT@SCNS）以串并联构型随机嵌入高顺应性介电水凝胶基质中，成功制备出具有多重优异性能的纳米片基水凝胶（NSH）。该材料不仅表现出超常的力学性能（拉伸率高达1356%）和极佳的柔顺性（储存模量仅为102 Pa），还具备显著的自粘附特性（猪皮表面粘附强度达21.7 kPa）。更重要的是，PEDOT@SCNS纳米片微电极的引入使得在超软水凝胶内部形成了微电容阵列和导电通路，从而实现了高保真电容传感与生物电信号采集的双重功能，可同步完成人体运动状态实时监测与生理信号精准分类。实验证明，这种NSH传感器能显著降低皮肤-电极界面阻抗，在肌电信号检测（EMG）、面神经监测、心电信号（ECG）采集及脑电活动记录等高端应用中表现出卓越性能，其信噪比显著提升（RMS噪声低至9.7 μV），且几乎不受运动伪影干扰。

• 双功能纳米片结构：通过在磺化纤维素纳米片（SCNS）表面原位沉积聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT），形成 PEDOT@SCNS 三明治结构微电极。该结构兼具高导电性与机械柔顺性。

• 串并联微电容网络：将导电纳米片随机分散在软质双交联水凝胶基质（CMC/PAAm）中，形成分布式串并联微电容阵列和导电通路，实现信号放大与双模式传感。

  
  

图1. 用于多模态、高灵敏度和自适应生物电子接口的NSH制备示意图。A) 由二维导电纤维素纳米片组成的串并联微电容，这些纳米片被限制在介电水凝胶中，用于低阻抗和高保真度的表皮电子设备。B) 微电容和导电路径的串并联电路示意图。C) 纳米片在水凝胶中的均匀分散及丰富相互作用。D) NSH的双工作模式：（I）在高频交流电压下为电容模式，（II）在直流电压下为电阻或电极模式。

图2. NSH的自适应性和自粘合性，用于维持稳健的界面。A) 不同基质浓度下NSH的储能模量。B) 1.8 M NSH的凝胶点状态（损耗因子tanδ ≈ 1）与频率无关。C) 机械性能参数的比较。D) 基于流变学的自适应性示意图。立体显微镜图像显示了放置在各种图案化树脂模具上10秒的3M水凝胶（顶部）和1.8M水凝胶（底部）。E) 水凝胶与基底之间的可能界面相互作用（注：pDA结构在一定程度上简化）。 F) 2D拉曼图像显示了1392 cm⁻¹峰与395 cm⁻¹峰的强度比，分别对应于i) 3M水凝胶、ii) 2.5M水凝胶和iii) 1.8M水凝胶。

图3. NSH的导电通路机制及传感性能。A) CNS和B) PEDOT@SCNS的透射电子显微镜（TEM）图像，以及S元素的能谱（EDX）映射。C) SCNS和PEDOT@SCNS中S元素的质量百分比、SCNS的密度（DS）以及PEDOT@SCNS的质量增益。D) 纳米片的拉曼光谱和S 2p XPS光谱。E) 光学显微镜图像，F) 低温SEM图像和G) 微电容水凝胶的示意图。H) 使用KPFM测量的NSH表面电位（SP）分布。上图中的相对SP值曲线是沿着下图中的白色和蓝线测量的。I) 嵌入纳米片的水分凝胶中电位分布的有限元模拟。

图4. 双工作模式的传感性能与稳定性。A) 通过有限元分析（FEA）模拟水凝胶因微电容结构导致的电容增量。假设PEDOT@SCNS微电极在超薄水凝胶中随机分布，形成内部串并联微电容。B) 评估振动条件下传感稳定性的实验装置。C) 采用含2 wt.%纳米片的NSH材料，在0.03 Hz频率下对两种工作模式的传感性能进行比较分析。D,E) 含导电纳米片与不含导电纳米片的传感器测得的电容传感信号。

图5. 1.8 M NSH传感器的生理性能。A）通过对粘附的活细胞进行染色反映细胞存活力。B）在有或没有水凝胶的情况下培养后，对HUVEC的CCK-8测定的数据。对（C）拉伸、（D）压缩和（E）扭转的响应。F）基于PEDOT@SCNS的机械感测传感机制。G）一种用于操作机械手的人机界面的实时多通道控制模型。

图6. 采用NSH电极进行高保真电生理信号记录。A) NSH电极与商业凝胶电极的皮肤界面阻抗。B) 来自上肢的肌电图（EMG）信号记录。C) 面部EMG测量用面部神经的照片、电路图和D) 示意图。E) 面部EMG信号的时空分布阵列。F) 心电图（ECG）信号的捕获及心脏周期放大视图。G) 在不同精神状态下记录的脑电图（EEG）节律。通过FFT处理的EEG信号的频率分布以及在三个心理状态（左：闭眼；中：睁眼；右：数学计算）下EEG信号在α和β频段（10-38 Hz）内的时频谱图。单因素重复测量方差分析（p < 0.001）的统计细节见表S2（支持信息）。

     本研究成功开发出高质量、长期稳定的生物电子接口，能够抵抗外部干扰。该超顺应性水凝胶通过大量串联并联的导电纳米片形成体相微电容与微电阻结，实现显著的信号放大、灵敏度提升和运动伪影抑制。为深入解析纳米片水凝胶(NSH)传感器的电学行为，我们采用平行电容模型进行有限元分析模拟其电容响应；同时，德拜模型或RC传输线模型等替代方案可为频率依赖性介电特性和电荷传输动力学提供更深入的研究框架。该NSH的综合性能（包括高应变系数、优异信噪比和卓越生物相容性）已达到国际前沿团队报道的顶级材料水平。实验已验证基于该纳米片的超顺应水凝胶贴片兼具机械传感与生理信号采集双功能，成功应用于复杂运动监测和生理电信号记录。凭借其增强的力学性能、流动性、电学特性及组装优势，该新型双工作模式水凝胶传感器有望在下一代柔性表皮电子领域实现广泛应用。

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