J Colloid Interf Sci：兼具高离子导电性、弹性与生物相容性的双网络复合凝胶及其表皮生物电位监测与可穿戴传感应用

      软离子导体作为表皮电极、柔性传感器、离子皮肤等软离子电子器件的理想候选材料，其实际应用仍受限于离子电导率不足和机械性能（包括韧性及粘附性）欠佳等关键问题。本研究创新性地开发了一种基于双网络（DN）策略的全生物相容性复合凝胶体系，该体系以聚丙烯酰胺（PAM）构成第一网络，双螺旋结构的ι-卡拉胶（IC）作为第二网络。实验结果表明：相较于单网络结构，引入ι-卡拉胶的DN凝胶不仅机械性能获得显著增强，同时展现出更优异的离子导电性（电导率达16.0 mS/cm）。该材料体系兼具多重优势特性：透光率超过92%、拉伸率高达1660%、以及良好的界面粘附性能。基于这些特性，DN凝胶成功实现了：1）作为高性能生物电位电极，其动态监测人体电生理信号时的信噪比和环境稳定性均优于商用电极产品；2）作为电阻式应变传感器，可精准捕捉人体运动信号。本研究所构建的多功能DN复合凝胶为新一代皮肤生物电子学器件及人机交互系统提供了具有重要应用前景的材料平台。

• 双网络结构：以聚丙烯酰胺（PAM）为第一网络，ι-卡拉胶（IC）为第二网络，形成物理-化学双交联结构。

• 分子协同作用：IC的双螺旋结构通过氢键、静电作用与DES（深共熔溶剂）结合，显著提升力学性能（韧性达0.75 MJ m^-3）和离子电导率（16.0 mS cm^-1）。

• 绿色溶剂：采用氯化胆碱/乙二醇（ChCl/EG）深共熔溶剂（低成本、可生物降解），替代传统有毒离子液体。

图1. (a) DN凝胶基应用的示意图。 (b) 光聚合PAM/IC DN复合凝胶的示意图及其内部分子相互作用。(c) DN凝胶在400至800 nm波长范围内的透射率。插图为置于花朵上的DN凝胶片（厚度1 mm）。(d) 不同机械变形条件下凝胶的照片。(e) 展示DN凝胶作为导电丝在0%和180%拉伸状态下点亮LED的高导电性。

图2. (a) 不同IC含量下PAM/IC的拉伸应力-应变曲线。 (b) PAM/IC的杨氏模量和韧性，以及 (c) 不同IC含量下PAM/IC的离子电导率。PAM/IC的离子电导率对 (d) 不同温度和 (e) 相对湿度的响应。(f) 与先前研究^{[29,37,44–52]}的电导率和应变比较。

图3. (a) PAM和PAM/IC 1.5%在0%至500%应变范围内的连续加载-卸载循环应力-应变曲线。 (b) PAM/IC 1.5%在不同应变条件下的连续加载-卸载拉伸应力-应变曲线。 (c, d) PAM/IC 1.5%的流变性能。(c) 在 ω = 0.1–100 rad s⁻¹ 和应变 (γ) = 1.0 % 条件下，于 25 ℃ 进行的频率 (ω) 扫描测试。 (d) 在 γ = 0.1–100,000 % 条件下，以 ω = 6.28 rad s⁻¹ 进行的应变扫描测试。 (e) 粘附力-位移曲线。(f) PAM/IC 在不同基底上的粘附力（插图：90°剥离试验示意图）。(g) PAM/IC 1.5% 在不同基底上的搭接剪切强度（插图：搭接剪切试验示意图）。(h) PAM/IC 与基底之间的粘附机制。(i) 3 T3-NIH 细胞在不同浓度的 PAM/IC 培养基中处理12h后的 CCK-8 结果。(j) CCK-8 细胞在 PAM/IC 处理 2 天后的活/死染色。

图4. (a) PAM/IC凝胶附着于人体皮肤的截面图（插图显示PAM/IC生物电位电极）。频率范围为1–10⁵ Hz时（b）以及频率为1、10和100 Hz时（c）PAM/IC与商业Ag/AgCl凝胶在人体皮肤上的界面阻抗。（d）心电图（ECG）信号检测的连接方式示意图。（e）PAM/IC和Ag/AgCl电极记录的ECG信号典型PQRST波形。(f) PAM/IC和Ag/AgCl电极记录的一系列ECG信号。 (g) PAM/IC和Ag/AgCl电极在全新状态（0 h）和72 h后记录的ECG信号的信噪比（SNR）和传输/接收比（T/R比）。 (h) PAM/IC电极在人工汗液存在（湿）和不存在（干）条件下记录的ECG信号比较。(i) PAM/IC电极在正常（31.4 ℃）和低温（21.2 ℃）皮肤温度下记录的ECG信号比较。(j) 用于EMG检测的PAM/IC电极照片。(k) PAM/IC电极在不同握力下的肌电图信号。(l) PAM/IC电极和Ag/AgCl电极在不同握力下的信噪比（SNR）。

图5. (a) PAM/IC凝胶基电阻应变传感器的器件结构示意图。 (b) 对应变从10%到160%的变化，ΔR/R₀的变动情况。(c) PAM/IC电阻应变传感器的GFs。 (d) 应变传感器在食指弯曲30度、60度和90度时的电阻响应。 (e) 手腕、(f) 肘部和(g) 膝盖关节的实时人体运动检测。 (h) PAM/IC作为模拟电子皮肤，能够在数字手表屏幕上拨号。(i) PAM/IC通过包裹不锈钢镊子作为屏幕触控笔，实现人机交互。

      本研究成功研制出一种兼具绿色环保特性与结构可调性的PAM/IC双网络复合凝胶材料。该材料展现出优异的综合性能：透光率超过92%，拉伸率高达约1660%，离子电导率达到16.0 mS cm⁻¹，同时具备良好的自粘附特性和生物相容性。这些特性协同作用，赋予材料卓越的多维度信号响应能力。值得注意的是，PAM/IC凝胶在不同温湿度环境下均能维持稳定的高离子导电性能。得益于上述特性及较低的皮肤-凝胶界面阻抗，该材料可作为高性能生物电位电极，在人体心电（ECG）和肌电（EMG）信号采集方面表现突出。实验数据显示，其ECG和EMG信号的信噪比分别达到27.4 dB和31.9 dB，显著优于商用Ag/AgCl凝胶电极（25.2 dB和27 dB）。特别值得关注的是，在皮肤老化、出汗或低温等严苛条件下，PAM/IC电极仍能保持稳定的信号采集质量，展现出更强的环境适应性。研究人员进一步开发了基于PAM/IC的多功能应变运动传感器，可精准捕捉人体各部位的运动信号。该材料的突破性性能为其在柔性电子领域开辟了广阔的应用前景，未来有望成为生理健康监测、物联网感知及人机智能交互界面的理想平台，为新一代智能医疗设备和可穿戴技术的发展提供重要材料支撑。

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