據麥姆斯咨詢報道，受氫鍵具有溫度可逆性的啟發，西北大學惠俊峰教授、范代娣教授和南京工業大學霍峰蔚教授團隊通過使用生物相容性聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol)，PVA）、植酸（phytic acid，PA）和明膠（gelatin，Gel），開發了一種具有多重氫鍵的皮膚友好型導電水凝膠。所獲得的PVA/PA/Gel（PPG）水凝膠具有溫度觸發可調機制，能夠在熱敷下可靠地粘附在皮膚上并檢測電生理信號，同時在冷敷下很容易去除。此外，PPG水凝膠的透明性、透氣性和抗菌活性等額外優勢確保了其在皮膚上的長期可穿戴價值。生產過程中廢棄的PPG水凝膠可以基于可逆氫鍵鍵合原理進行回收利用，既環保又節約成本。在人體健康監測領域，PPG水凝膠傳感器有望在記錄電生理信號方面具有良好的應用前景。
柔性電子設備通過檢測各種重要信號，包括物理信號（如應變和運動）和電生理信號【如心電圖（electrocardiogram，ECG）、腦電圖（electroencephalography，EEG）和肌電圖（electromyogram，EMG）信號】，在人類健康監測和醫療診斷中發揮著重要作用。可穿戴性是未來柔性電子發展的關鍵技術。水凝膠具有類似組織的柔軟性，同時又具有韌性和可拉伸性，為生物植入、組織再生和電子皮膚設備提供了平臺。基于水凝膠的離子皮膚可以減少電子-離子界面電阻和運動偽影，以獲得更準確的檢測結果，為自然生物和人工設備之間的交互信息傳輸鋪平道路。然而，這種傳感器的粘附性通常不能滿足實際應用的需求。如果與皮膚的粘附力太弱，傳感器將在身體運動過程中任意移動，從而導致運動偽影、噪聲數據和隨后的誤診；如果與皮膚的粘附力太強，傳感器在移除時可能會對用戶造成炎癥、刺激和疼痛。因此，需要設計新一代基于水凝膠的皮膚粘合劑以滿足當前需求。
為此，人們在調節裝置與皮膚之間粘附力方面已經做了諸多努力。水凝膠粘合劑很受關注，因為它的粘附性可以通過在互補官能團（碳-碳、碳-氮、硅氧烷、酰胺等）和物理相互作用（如離子鍵、氫鍵、主客體相互作用和范德華相互作用）的幫助下改變化學組成和表面基團來定制。一種有效的策略是通過分離觸發器去除強粘附力，實現按需分離水凝膠。然而，人們已經意識到使用化學試劑觸發器所存在的問題。一方面，額外的化學物質可能會造成皮膚損傷；另一方面，皮膚分泌的代謝物可能成為潛在的觸發器，導致水凝膠分離及功能失調。物理誘導的可分離【近紅外（near-infrared，NIR）、紫外（ultraviolet，UV）和溫度】水凝膠可以避免這些問題，因此引起了廣泛關注。其中，溫控水凝膠對用戶來說很方便，因為它們可以由人體溫度觸發，而無需額外的化學物質或裝置。研究人員設計了一種溫度觸發的按需剝離貼紙，可在26至32℃之間提供高粘附性?，同時在冷卻至低于21℃的溫度后，可將其剝離。受章魚吸盤的肌肉驅動粘附機制的啟發，有人制備了一種具有溫度觸發的皮膚粘合水凝膠貼片，在20℃和37℃下具有不同的皮膚錨定強度。眾所周知，環境溫度在冬季通常低于20℃，夏季高于40℃，這意味著水凝膠的粘附性在日常生活中不穩定，應進一步改善。一種流行的發展趨勢是設計一種機械性能可調的水凝膠粘合劑。
受氫鍵具有溫度可逆性的啟發，生物相容性聚乙烯醇（PVA）和明膠（Gel）已被用于構建氫鍵交聯的水凝膠網絡，植物中的植酸（PA）通過形成多重氫鍵來加強PVA-Gel水凝膠網絡并充當質子供體以提高水凝膠電導率。西北大學和南京工業大學的研究人員提出了一種簡便的策略，以制備溫度觸發的粘附性在4℃到55℃之間的皮膚友好型水凝膠。得益于氫鍵和離子鍵的可逆性，PVA/PA/Gel（PPG）水凝膠可以避免在剝離過程中對皮膚造成傷害。具體而言，弱氫鍵將通過約55℃的熱敷被破壞，使PPG水凝膠粘附并保持附著在皮膚上，以便在靜止和運動期間檢測具有較少運動偽影的電生理信號。所獲得的粘附性可以一直保持，直到冷敷才得以觸發氫鍵重整。這種策略使PPG水凝膠能夠用于監測人類健康，因為它具有良好的透明度、自適應性、透氣性、保水性和抗菌活性。此外，通過可逆離子鍵和氫鍵交聯，生產過程中廢棄的PPG水凝膠可以回收利用，以減少資源浪費、生產成本和環境污染。
PPG水凝膠機理示意圖
由于生物相容性水凝膠通常為細菌提供了合適的生存環境，因此將水凝膠直接粘貼在皮膚上意味著將細菌接種在皮膚上，這會帶來細菌感染的潛在風險。因此，研究水凝膠材料的抗菌性能至關重要，實驗結果如下圖所示。由于PA具有較強的螯合金屬離子和蛋白質的能力，可作用于細菌細胞壁，導致細胞壁合成受到抑制、細胞膜受損以及大量細菌死亡。因此，富含PA的PPG水凝膠具有良好的抗菌效果。
PPG水凝膠的生物相容性
為了評估其靈敏度和響應，將PPG水凝膠作為可穿戴傳感器附著在志愿者的手指關節上，以收集電生理信號。實驗結果表明，基于PPG水凝膠的傳感器具有高靈敏度和快速響應，滿足人體監護儀的要求。
PPG水凝膠的電性能
研究人員還組裝了一個基于PPG水凝膠的便攜式傳感器，通過藍牙設備實時追蹤人體的電生理信號，無需任何笨重的附屬設備，就能清晰地輸出規律的心跳信號。與商用貼片相比，PPG水凝膠還具有適應能力強、與人體皮膚緊密貼合的特點，有利于實時記錄有效信號并連續診斷健康狀況。
PPG水凝膠作為心電圖檢測的傳感器貼片
總之，作為一種安全舒適的皮膚貼片，由生物相容性PVA和PA構成的PPG水凝膠具有良好的透明度、透氣性、保水性和抗菌活性。此外，自適應、自愈和導電性有效地控制了水凝膠與皮膚之間的高生物電阻抗，使PPG水凝膠能夠在運動過程中收集電生理信號。當用作心電圖診斷的電極時，PPG水凝膠可以重復使用，并在志愿者休息、行走和深呼吸時提供穩定的電生理信號。此外，PPG水凝膠具有良好的再成型性和可重復使用性，使廢料可以重復使用，從而滿足環保要求。因此，PPG水凝膠作為傳感器在人體健康監測中被認為具有良好的應用前景。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00193-5
