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過程工程所白碩研究員團(tuán)隊(duì) AM：開發(fā)具有運(yùn)動(dòng)不敏感特性和機(jī)械魯棒性的雙連續(xù)相導(dǎo)電水凝膠電極-為可穿戴生物電子設(shè)備帶來(lái)突破性進(jìn)步
2024-12-18  來(lái)源：高分子科技

  高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)對(duì)于疾病診斷與治療、腦機(jī)接口、航空航天等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，從人體表面獲取高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。因?yàn)槌龊埂×疫\(yùn)動(dòng)等人體活動(dòng)可能導(dǎo)致采集電極與皮膚接觸不良和形變等，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，降低信號(hào)質(zhì)量。因此，開發(fā)一種集導(dǎo)電性、粘附性、形變不敏感以及優(yōu)異機(jī)械性能于一身的多功能水凝膠，成為構(gòu)建神經(jīng)電極的研究熱點(diǎn)之一。但要在單一水凝膠體系中同時(shí)實(shí)現(xiàn)卓越的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，這主要是因?yàn)閷?dǎo)電聚合物的疏水性質(zhì)與水凝膠的親水特性之間存在天然的沖突。


圖1. 一步酸誘導(dǎo)法制備雙連續(xù)相導(dǎo)電凝膠。


  為解決上述問題，由中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所白碩研究員課題組和清華大學(xué)張沕琳教授課題組聯(lián)合開發(fā)了一種新型的雙連續(xù)相導(dǎo)電水凝膠電極。這種水凝膠電極以其卓越的電導(dǎo)率和機(jī)械性能，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)不敏感的特性，有望在生物電子領(lǐng)域帶來(lái)重大突破。本研究提出了一種簡(jiǎn)潔高效的一步酸誘導(dǎo)策略，該策略不僅加速了親水性聚合物的凝膠化過程，還促進(jìn)了疏水性導(dǎo)電聚合物在溫和環(huán)境下的原位相分離，形成一種特殊的雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)，賦予了水凝膠卓越的電學(xué)特性（電導(dǎo)率達(dá)到906 mS cm?1）和優(yōu)異的機(jī)械性能（斷裂應(yīng)變高達(dá)1103%）。此外，這種水凝膠構(gòu)建了強(qiáng)健的滲透網(wǎng)絡(luò)，得益于其熵彈性，在承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)能維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，展現(xiàn)出卓越的應(yīng)變不敏感性、低機(jī)械滯后和高彈性（達(dá)到95%）。另外，由這種導(dǎo)電水凝膠制成的電極在與皮膚接觸時(shí)，展現(xiàn)出穩(wěn)定且極低的界面接觸阻抗（在1-100 Hz頻率范圍內(nèi)為1-6千歐姆）以及顯著較低的噪聲功率（4.9 μV2）。這種水凝膠的運(yùn)動(dòng)不敏感特性和機(jī)械魯棒性將使得生物信號(hào)的高效可靠檢測(cè)成為可能。


  2024年12月16日，該工作以“Acid-Induced in Situ Phase Separation and Percolation for Constructing Bi-Continuous Phase Hydrogel Electrodes With Motion-Insensitive Property”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2024, 2415445. DOI: 10.1002/adma.202415445）。博士生韓青權(quán)為論文第一作者，清華大學(xué)博士生高希剛、張超為論文共同第一作者，白碩研究員、王安河副研究員和張沕琳副教授為共同通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃(Grant No. XDB0520300)、國(guó)家自然科學(xué)基金(Grant No 22277121、 22072155、22307117、 62227801)和北京市自然科學(xué)基金(. 7212206)的資助。


圖2. 基于酸誘導(dǎo)形成的水凝膠電極應(yīng)用于人體劇烈運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于設(shè)計(jì)、制備多功能水凝膠并應(yīng)有構(gòu)建神經(jīng)電極的最新進(jìn)展之一。在過去幾年中，團(tuán)隊(duì)采用自由基氧化降解策略制備了仿貽貝聚多巴胺納米顆粒，用于同步增強(qiáng)水凝膠體系的導(dǎo)電性和粘附性，并應(yīng)用到注意力水平分析中，首次實(shí)現(xiàn)了注意力水平7分類任務(wù)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)（Adv. Mater. 2023, 35, 2209606）。此外，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型液/液界面超微離電可植入器件，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)非電化學(xué)活性抑制性神經(jīng)信號(hào)的腦內(nèi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（Sci. Adv. DOI:10.1126/sciadv.adr7218）。以多功能水凝膠構(gòu)建的傳感器可以精確且長(zhǎng)期的檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào), 為可穿戴電子設(shè)備的廣闊應(yīng)用帶來(lái)了新策略和突破性進(jìn)展（Matter 2022, 5, 3643., ACS Appl. Bio Mater. 2021, 4, 6148., Bio-Des. Manuf.. 2019, 2, 269., Bio-Des. Manuf. 2022, 5, 153.）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202415445

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（責(zé)任編輯：xu）
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