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  離子導電凝膠材料由于其優(yōu)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(jiān)測等領域。然而，離子導電凝膠材料的水下應用卻仍有挑戰(zhàn)：(1) 水下環(huán)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(huán)境中易溶脹，導致內(nèi)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(wěn)定使用、水下生物電監(jiān)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(huán)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(fā)生物理相互作用，從而實現(xiàn)優(yōu)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(huán)境中，并且長鏈膽堿基生物離子液體也協(xié)同防止導電離子擴散到水環(huán)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(fā)現(xiàn)該凝膠電極在平靜或運動水下狀態(tài)下均可穩(wěn)定準確監(jiān)測生物電信號，并且表現(xiàn)出極低的界面阻抗和噪聲。同時產(chǎn)生的數(shù)字信號可以通過藍牙設備傳輸?shù)接嬎銠C，實現(xiàn)無線的生物電實時監(jiān)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(jiān)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(huán)境中豬皮表面和商業(yè)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(huán)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(huán)境中用于生物電監(jiān)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(huán)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(yè)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(huán)境應變?yōu)?0%的循環(huán)穩(wěn)定性測試（循環(huán)次數(shù)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(jiān)測；(b) BACT 凝膠電極在水中不同的浸沒時間產(chǎn)生的 RMS 噪聲；(c) BACT凝膠電極和商用凝膠電極在平靜水下環(huán)境中的心電信號監(jiān)測；(d) BACT凝膠電極（水下環(huán)境）、商用凝膠電極（水下環(huán)境）和其他生物電極（大氣環(huán)境）的信噪比（SNR）和彈性模量的比較；(e) BACT凝膠電極在水下環(huán)境手腕運動過程中記錄的心電圖信號；(f) 不同磅數(shù)的手指訓練器在水下環(huán)境中產(chǎn)生的肌電信號；(g) 不同磅數(shù)的手指訓練器產(chǎn)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(fā)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(fā)計劃（2016YFA0201702）、中央高校基本科研業(yè)務費等項目支持。

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

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