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  離子導電凝膠材料由于其優異的柔韌性、拉伸性和界面順應性，是可穿戴設備最理想的材料之一，尤其是在運動感知和生理信號監測等領域。然而，離子導電凝膠材料的水下應用卻仍有挑戰：(1) 水下環境中，粘合材料與基材的界面會形成水合層，阻礙有效的分子粘附行為，導致粘合強度降低；(2)凝膠材料在水環境中易溶脹，導致內聚力減弱，結構被破壞，從而使凝膠電極的力學性能和導電性急劇下降。因此，賦予離子導電凝膠材料良好的水下粘附性和抗溶脹能力，對于離子導電凝膠材料在水下的長期穩定使用、水下生物電監測具有重要意義。

  為此，東華大學張青紅教授/侯成義副教授團隊以疏水性丙烯酸酯和親水性丙烯酸為單體，通過添加膽堿基生物離子液體和單寧酸，制備了防水凝膠電極。水下環境中，溶劑交換引起的疏水聚集，有效延緩了基材表面的水合作用。同時，基材表面的氫鍵與單寧酸中的酚羥基發生物理相互作用，從而實現優異的水下附著力。此外，丙烯酸酯的疏水性擴散屏障，抑制了水溶液的進入和導電離子擴散到水環境中，并且長鏈膽堿基生物離子液體也協同防止導電離子擴散到水環境中。因此，制備的凝膠電極顯示出持久的水下粘附性、導電性和抗溶脹性。研究人員對其作為可穿戴水下生物電極的性能進行了詳細研究，發現該凝膠電極在平靜或運動水下狀態下均可穩定準確監測生物電信號，并且表現出極低的界面阻抗和噪聲。同時產生的數字信號可以通過藍牙設備傳輸到計算機，實現無線的生物電實時監測。因此，本工作所構筑的離子凝膠電極在長期水下生物電監測方面顯示出重要的應用潛力。

圖1 (a)水下凝膠電極的制備過程；(b)超景深顯微鏡圖像顯示水下環境中豬皮表面和商業凝膠電極之間的界面處有許多間隙；(c)超景深顯微鏡圖像顯示在水下環境中豬皮表面與 BACT 凝膠之間的界面幾乎沒有間隙；(d)BACT凝膠在水中浸泡不同時間和商用凝膠在水中浸泡5分鐘的表皮界面阻抗；(e)BACT凝膠在水下環境中用于生物電監測（ECG、EMG）的示意圖。 

圖2 (a) BACT 凝膠的水下粘附機理；(b) 在去離子水中浸泡不同時間時，BACT凝膠對豬皮的剪切粘合強度；(c) BACT凝膠在水下環境中對不同材料（硅膠、PETF、賽璐珞和 HIPS）的粘附照片； (d) BACT 凝膠對不同材料的水下粘附性；(e) BACT 凝膠在不同溶液中浸泡 6 小時后對豬皮的粘性 (f) 90°剝離試驗示意圖；(g) BACT 凝膠對不同基材的水下剝離粘附力；(h) 商用凝膠電極和BACT凝膠電極粘附在豬皮上以防止水滲透的示意圖。 

圖3 (a) 圖片顯示了不同凝膠在12 小時后的溶脹度；(b) 商業凝膠和 BACT 凝膠在去離子水中的溶脹曲線；(c) BACT凝膠在不同溶液中的溶脹行為，包括水、體液、海水、PBS緩沖溶液、酸性溶液（pH=5）和堿性溶液（pH=9）；(d) BACT 凝膠在去離子水中浸泡不同時間的機械性能；(e) BACT 凝膠在去離子水中浸泡 15 天后的拉伸性能；(f) BACT 凝膠在不同溶液中浸泡 1 天后的機械性能；(g) BACT 凝膠和商用凝膠在去離子水中浸泡不同時間的離子電導率； (h) BACT凝膠在水下環境應變為50%的循環穩定性測試（循環次數350次）； (i) BACT 凝膠與其他不同水下凝膠傳感器的性能對比圖。

圖4 (a) 使用 BACT 凝膠電極對 ECG 信號進行長期水下監測；(b) BACT 凝膠電極在水中不同的浸沒時間產生的 RMS 噪聲；(c) BACT凝膠電極和商用凝膠電極在平靜水下環境中的心電信號監測；(d) BACT凝膠電極（水下環境）、商用凝膠電極（水下環境）和其他生物電極（大氣環境）的信噪比（SNR）和彈性模量的比較；(e) BACT凝膠電極在水下環境手腕運動過程中記錄的心電圖信號；(f) 不同磅數的手指訓練器在水下環境中產生的肌電信號；(g) 不同磅數的手指訓練器產生的 EMG 信號強度。 

  研究結果近期以“Water-resistant and underwater adhesive ion-conducting gel for motion-robust bioelectric monitoring”，發表在Chem. Engineer. J, 2022, 431, 134012。論文第一作者為東華大學博士生孫川越，共同通訊作者為張青紅教授、侯成義副教授，研究得到了國家重點研發計劃（2016YFA0201702）、中央高校基本科研業務費等項目支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134012

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