“智能水凝胶”再进化：兼顾稳定、导电与传感的全能选手

水凝胶，因其与人体组织相似的柔软、高含水和生物相容性，被誉为构建下一代“亲肤”可穿戴电子设备（即表皮传感器）的理想材料。无论是用于监测心电（ECG）、肌电（EMG）等生理信号，还是用于人机交互，水凝胶传感器都展现出巨大的潜力。然而，一个致命的弱点长期限制了它们的广泛应用：传统水凝胶极易在空气中失水变干，导致其性能迅速下降甚至完全失效。如何在不牺牲导电性和柔性的前提下，让水凝胶变得“耐用”，是该领域亟待攻克的关键挑战。

近日，一篇发表于《ACS Sensors》的研究，为我们带来了令人振奋的解决方案。来自南京邮电大学的科研团队，通过一种创新的两性离子表面活性剂增强策略，成功开发出一种兼具超高稳定性、优异导电性、卓越力学性能和多功能传感能力的新型水凝胶。

这项研究的核心贡献在于其巧妙的材料设计理念——通过协同多种功能组分，一举解决了水凝胶在稳定性、导电性和生物相容性之间的“不可能三角”难题。

1.创新的分子“锁水”策略：甜菜碱的妙用 为了从根本上解决水分蒸发问题，研究团队引入了一种天然、生物相容的两性离子表面活性剂——甜菜碱（Betaine, BA）。甜菜碱分子独特的两性离子结构（同时带有正负电荷中心），使其能够与水分子形成强大的氢键网络，像一把把微型“分子锁”一样，牢牢锁住水凝胶内部的水分。实验结果惊人，在不添加导电聚合物的情况下，含有80%甜菜碱的水凝胶（AMB水凝胶）在室温下放置10小时后，仍能保持超过76%的原始重量，展现出卓越的抗脱水能力。

图片说明：该图全面展示了本研究的核心。a图为水凝胶的制备流程。c图揭示了其内部复杂的网络结构，包括PAA/PAMPS共聚物骨架、起“锁水”作用的甜菜碱（BA）以及提供导电性的PEDOT:PSS。d、e、f图则分别展示了甜菜碱的加入如何显著改善水凝胶的力学性能（韧性和拉伸性）和抗脱水稳定性。

2.“鱼与熊掌兼得”：导电性与稳定性的完美平衡 然而，大量甜菜碱的加入会因离子屏蔽效应而降低水凝胶的离子电导率。为了解决这个问题，研究团队又引入了另一种“明星材料”——导电聚合物PEDOT:PSS。PEDOT:PSS自身具有优异的电子导电性，它的加入不仅弥补了甜菜碱带来的导电性损失，还与水凝胶基质形成了电子-离子双重导电网络。最终得到的AMBP水凝胶，其离子电导率恢复到了约0.84 S/m的高水平，同时经过14天的长期放置，依然能保持超过78%的重量，成功实现了高导电性与高稳定性的兼得。

图片说明：该图深入揭示了AMBP水凝胶的优异性能。a图展示了其电子-离子协同导电机制。b图和c图通过电化学阻抗谱，证明了PEDOT:PSS的加入有效提升了导电性。d图对比了有无PEDOT:PSS时水凝胶的信号保真度。e图和f图则分别展示了其优良的皮肤黏附性和长期稳定性。

3.高保真生理信号采集与多功能传感 得益于其优异的综合性能，这款AMBP水凝胶作为表皮电极，展现出卓越的应用潜力：

• 高质量生理信号监测： 与商用Ag/AgCl电极相比，AMBP水凝胶电极在采集心电（ECG）、肌电（EMG）、眼电（EOG）和脑电（EEG）信号时，均表现出更高的信噪比（SNR ≈ 25 dB）。尤其在运动状态下，其优异的皮肤贴合性和抗运动伪影能力，保证了信号的清晰和稳定。

• 自供能的智能触觉感知： 研究团队进一步创新，在水凝胶电极阵列上覆盖一层Ecoflex摩擦电层，构建了一个无需外部电源的自供能传感贴片。当不同形状（球形/方形）或不同材质（聚酰亚胺/铝）的物体接触该贴片时，会产生独特的四通道摩擦电信号。结合卷积神经网络（CNN）算法，该系统能够以高达97.5%的准确率识别出接触物体的形状和材质，实现了“智能触觉”功能。

▼参考文献