三重响应水凝胶：打造皮肤接口电子健康管理

研究背景

以人体为中心的表皮电子设备在疾病治疗和健康管理中愈发重要，其功能组件需具备感知动态和静态刺激的能力，并拥有类似人体皮肤的柔顺性和灵活性。多层传感器设计存在诸多挑战，如设备制造复杂、难以实现所需柔韧性、可能导致佩戴不适等。使用多刺激响应水凝胶是赋予柔性单层设备多功能性的有前景策略，但目前开发此类水凝胶仍面临提高电子导电性、丰富刺激响应、解决生物相容性、优化制造方法等问题。现有皮肤电子组件在响应多种刺激及实际应用方面存在局限，因此开发可直接应用于人体的多功能水凝胶组件至关重要。

研究成果

基于水凝胶的柔性电子元件已成为解决传统电子设备在健康管理中刚性问题的最佳方案。在本研究中，同济大学袁伟忠&高玉魁教授等人引入了一种多功能水凝胶，它由物理（壳聚糖、聚乙烯醇（PVA））和化学（聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺）（P(NIPAM-co-AM)））交联形成的双网络，以及用于响应外部刺激的信号转换填料（共晶镓铟（EGaIn）、Ti₃C₂ MXene、聚苯胺（PANI））组合而成。它可以对动态和静态信号进行多重传感。基于这种水凝胶的应变传感器在400%的拉伸范围内电阻变化高达1000%，并且在触摸时可观察到显著的电容变化。温度传感器在20-40°C时的灵敏度约为-2.9%°C^-1，在0-20°C时约为65%°C^-1。pH传感器的响应灵敏度接近-13.68 mV pH^-1。还可以组装纸基摩擦纳米发电机来收集能量 。 相关研究以“Skin-Inspired, Multifunctional, and 3D-Printable Flexible Sensor Based on Triple-Responsive Hydrogel for Signal Conversion in Skin Interface Electronics Health Management”为题发表在Small期刊上。

研究亮点

1. 设计并制备了一种基于三重响应水凝胶的多功能柔性传感器 NMAL，它能对多种动态和静态信号进行多重传感，实现了应变、温度、pH 值等多信号的有效监测。

2. 在应变传感方面，400% 拉伸范围内电阻变化高达 1000%；温度传感时，20-40 °C 灵敏度约为-2.9 %°C^-1，0-20 °C 灵敏度约为 65 %°C^-1；pH 传感灵敏度接 -13.68 mV pH^-1，且具有良好的稳定性和重复性。

3. 可组装纸基摩擦纳米发电机收集能量，输出功率达 83 mW m^-2；具备可控的抗菌性能，能有效抑制有害细菌生长，且细胞存活率高，生物相容性良好。

4. 具有 3D 打印特性，可实现个性化定制，能制造出复杂形状，提高与皮肤的贴合度和透气性，为实际应用提供了更多可能。

研究内容

NMAL 的制备：通过物理交联（壳聚糖、聚乙烯醇）和化学交联（聚（N - 异丙基丙烯酰胺 - 共 - 丙烯酰胺））构建双网络，并添加信号转换填料（共晶镓铟、Ti₃C₂ MXene、聚苯胺），经一锅法合成 NMAL 前驱体，再通过 3D 打印或浇铸成型，经紫外固化和冻融循环制备得到 NMAL。

NMAL 的形貌与机械性能：NMAL 表面有微纳尺度褶皱，内部为致密多孔结构，利于提高柔韧性和吸水性。其机械性能优异，拉伸比可达 480%，断裂强度约为 580 kPa ，杨氏模量与人体皮肤相近，韧性良好，在低温下也能保持柔性，展现出良好的生物相容性和佩戴舒适性。

NMAL 的应变传感能力：NMAL 传感器对人体运动信号响应灵敏，在不同拉伸应变下电阻变化显著，电容也会随微小压缩发生明显改变。可有效监测人体各部位关节运动，为评估用户健康状况提供依据。

NMAL 的非应变传感能力：利用 PNIPAM 和 PANI 的特性，NMAL 对温度和 pH 值变化响应灵敏。在 pH 值 1-11 范围内具有 - 13.68 mV pH^-1 的检测能力；在 0-40 °C 温度范围内电阻变化明显，能检测人体体温异常和环境温度变化，还可感知附近热或冷源。

NMAL 的能量管理能力：NMAL 的特殊表面结构利于与常见薄膜结合，可组装成单电极摩擦纳米发电机，通过与衣物摩擦收集能量，能为储能设备充电，输出功率达 83 mW m^-2 ，可点亮 LED 灯泡，有助于构建自供电可穿戴设备。

NMAL 的皮肤集成应用：NMAL 具有良好的抗菌性能，壳聚糖和Ga³⁺等成分可抑制细菌生长，光热效应还能增强杀菌效果。同时，它生物相容性好，对人体细胞毒性低，能检测表面肌电信号，在智能健身等领域具有广阔应用前景。