《Nature》麻省理工学院赵选贺等团队：通过气凝胶的粘弹性相分离制备透气性水凝胶

水凝胶由亲水聚合物网络和大量水构成，其含水环境、柔软力学特征以及与生物组织相近的界面性质，使其被广泛用于创面敷料、组织黏合剂、皮肤电极、接触镜、光学波导和超声耦合等生物医学界面。对于长期贴附或植入场景，氧气和二氧化碳等气体需要在材料、组织与外界之间持续交换；气体交换不足会造成局部热量和湿度积聚，并可能影响皮肤屏障状态、细胞代谢和电生理信号稳定性。

传统水凝胶的气体渗透性能受到水相本征性质的限制。按照Fick扩散框架，气体通量与气体在介质中的浓度C和扩散系数D共同相关。非极性气体在极性水介质中的溶解度较低，同时在水相中的扩散速率远低于气相，因此常规单相水凝胶的透气性通常低于40 barrer，并受到接近纯水体系理论上限的约束。增加水含量有利于柔软性、离子传输和组织相容性，却通常进一步削弱非极性气体的传输。

为突破这一上限，既往研究主要引入宏观或介观空气通道，或在材料中构建具有分子级自由体积的疏水相。然而，柔软空气通道在受压、弯折或长期浸润时容易塌陷或被液体占据；提高第二相比例虽然可改善透气性，却会降低材料含水量并改变力学性质。由此形成的“高透气性—高含水量”矛盾，是水凝胶长期生物医学应用中的关键材料学问题。

成果简介

近日，麻省理工学院赵选贺、Shucong Li、华南理工大学Xiao-Yun Yan等人借鉴肺部中高含水组织与稳定气道并存的结构特征，将超疏水二氧化硅气凝胶颗粒作为可储存气相的刚性微结构，再利用VPS在低颗粒体积分数下形成贯通网络。该研究建立了一种适用于多类水凝胶化学体系的相工程策略。气凝胶颗粒内部的疏水纳米孔道可抑制水侵入，刚性二氧化硅骨架可避免气相在机械载荷下塌陷；VPS则使颗粒在较低体积分数下形成连续网络。所得VPS水凝胶在约70 vol%含水量下达到185 barrer氧气渗透率，较原始水凝胶提高约一个数量级，并超过多种商业皮肤或眼科水凝胶/弹性体产品的名义氧气渗透率。

该策略可用于PVA、海藻酸盐、明胶、壳聚糖和琼脂糖等体系，并可进一步引入电解质、PEDOT:PSS或银片以获得离子或电子导电性。材料在弯曲、折叠、卷曲、拉伸和水中浸泡条件下保持结构稳定；在10,000次20%应变循环后，氧气渗透率仅下降约5%。皮肤佩戴和电生理测试进一步显示，VPS水凝胶可减少运动过程中的热量与汗液积聚，并支持连续10天的稳定心电监测。

图1｜高透气VPS水凝胶的设计策略与总体性能。

面向高透气水凝胶的相工程

研究首先选用平均粒径约8 μm、孔隙率约90%的二氧化硅气凝胶颗粒，以在水相中引入稳定的高气体含量微区。颗粒纳米孔道表面经过三甲基硅氧基官能化，呈超疏水状态。水分子进入这些孔道需要克服疏水界面带来的自由能代价，而刚性二氧化硅骨架则为气相提供机械支撑，因此液体浸润和孔道塌陷均受到抑制。乙醇诱导塌陷实验进一步验证，较低极性的溶剂能够破坏该稳定状态并释放孔道中的气体。

为改善气凝胶颗粒与水相之间的分散稳定性，作者使用Pluronic F-127、PVA和PAA等高分子表面活性剂。其分子量均高于12 kDa，不易进入并堵塞气凝胶纳米孔道；同时，分散介质的较高黏度可减缓低密度气凝胶颗粒的上浮。所得悬浮体系在制备两周后未出现明显宏观分层，为后续VPS网络形成提供了稳定初始条件。

常规相分离中，低含量次相通常形成孤立岛状结构，只有当两相体积分数接近时才容易形成双连续网络。本体系中，水相与被高分子稳定的气凝胶颗粒之间存在显著动态不对称性。组分粒径差异导致迁移时间尺度差异，较慢的气凝胶富集相在相分离过程中表现出暂态弹性，因而在最终断裂为孤立团簇之前形成贯通网络。研究将这一中间结构定义为VPS气凝胶网络，并将其作为气体长程传输的核心通道。

VPS气凝胶网络的时间演化

作者在2 wt%气凝胶含量（约11 vol%）下追踪结构演化。该体积分数明显低于球形颗粒三维贯通阈值约29 vol%，若采用常规混合方式，颗粒通常仅形成离散区域。光学显微结果显示，气凝胶颗粒由初始均匀分散逐步转变为网络状结构，随后进一步演化为断裂的岛状团簇，表明高透气结构对应的是VPS过程中的特定时间窗口，而非热力学平衡终态。

微型计算机断层扫描用于定量解析三维结构。作者根据气凝胶体素的连通关系计算贯通比例fₚ，并以欧拉示性数χ表征网络的环路、连通性和拓扑复杂度。最大连通网络的体积分数在8 h时达到峰值fₚ=0.84，χ则经历由正值向负值最低点再回升的变化，与VPS从分散颗粒、贯通网络到网络变细和断裂的理论演化一致。

通过在不同时间诱导高分子交联，网络形貌被固定于水凝胶中。2 wt%气凝胶体系的氧气渗透率在0-8 h内提高约40%，8 h达到141 barrer，随后随网络断裂而下降；4 wt%气凝胶体系同样在8 h达到约193 barrer，并在24 h内基本保持稳定。该结果说明，气体渗透率不仅取决于气凝胶总含量，更受网络是否连续以及贯通路径几何结构的控制。

图2｜VPS气凝胶网络的形成与时间演化。

VPS水凝胶的制备与性能

在获得VPS气凝胶网络后，作者以不同预凝胶溶液替换网络中的水相并完成交联，从而将气相通道固定在连续水凝胶基体中。以PVA体系为例，在相近约70 vol%含水量下，VPS PVA水凝胶的氧气渗透率达到153 barrer，而原始PVA水凝胶仅为15.5 barrer。压缩实验中，未填充聚合物的气凝胶网络会出现液体挤出，完成水凝胶填充后则保持水分，证明水相已被聚合物网络有效固定。

该制备路线可扩展至海藻酸盐、琼脂糖、壳聚糖和明胶等蛋白质或多糖体系。不同VPS水凝胶的氧气渗透率最高达到185 barrer，显著高于对应原始水凝胶的15-69 barrer。除氧气外，VPS PVA水凝胶的水蒸气透过率也明显提升，相较硅胶和聚氨酯贴片可提高约10-100倍，说明贯通气相网络可同时促进气体和水蒸气交换。

低气凝胶含量使材料仍保持组织相近的柔软性。2 wt%气凝胶VPS PVA水凝胶的杨氏模量约为50-100 kPa，与前臂皮肤的典型范围相当。材料可承受弯曲、折叠、卷曲和拉伸；在20%应变下循环10,000次后，氧气渗透率仅下降约5%，杨氏模量较首次循环下降12.8%。样品在水面持续漂浮10天，进一步说明气凝胶孔道中的气相在长期浸水条件下仍保持稳定。

VPS网络还可与导电功能组分协同构建多功能材料。加入氯化钠后，离子电导率可达到70.8 mS cm⁻¹；加入PEDOT:PSS纳米纤维后，电子电导率达到4.42 S cm⁻¹；加入银片后可达到471 S cm⁻¹。由于导电组分同样可在VPS形成的连续结构中富集，材料能够同时维持较高导电性和透气性，减弱传统导电水凝胶中两类性能之间的冲突。

图3｜VPS水凝胶的制备及综合性能。

VPS水凝胶的潜在应用

在皮肤贴附场景中，低透气材料容易造成热量与汗液积聚。运动测试显示，受试者在椭圆机运动20 min后，商业硅胶贴片覆盖区域的皮肤温度升高约6.5 °C，而VPS水凝胶覆盖区域温度降低约1 °C，可能与更高效的热量和水蒸气散逸有关。硅胶贴片下出现明显汗液积聚，VPS水凝胶覆盖区域则与裸露皮肤更接近。在8-10名受试者的视觉模拟评分中，VPS水凝胶获得最低不适评分。

为评估较长时间贴附后的皮肤状态，研究比较了VPS PVA水凝胶和原始PVA水凝胶佩戴24 h后的经皮水分流失（TEWL）与角质层含水水平。移除贴片后，两项指标均逐渐恢复并在约6 h后趋于稳定；VPS水凝胶组更接近文中设定的健康范围。由于两类材料具有相同PVA基体，这一差异主要与VPS网络引入的气体和水蒸气交换能力相关。

在生物电子应用中，作者以离子导电VPS水凝胶替换商业Ag/AgCl电极中的水凝胶层。静息状态下，两类电极均可获得清晰心电信号；骑行运动过程中，商业水凝胶电极受汗液积聚和界面变化影响，信号噪声明显增加，而VPS水凝胶电极在运动前、运动中和运动后均保持较稳定波形，可用于提取心率和Q-T间期。连续10天测试中，电极在工作、运动、睡眠和步行等活动条件下仍可分辨P波、QRS波群和T波。

稳定共存的气相与水相还赋予材料新的声学响应。常规水凝胶与水之间的声阻抗差异较小，水下超声对比度有限；VPS水凝胶因气凝胶网络与水之间存在显著阻抗失配，可获得清晰超声成像，并可在声场刺激下产生明显远程驱动形变。这些结果提示，该材料平台除皮肤电子和敷料外，还可用于水下成像、声学驱动和其他需要气-液软界面的场景。

图4｜VPS水凝胶贴附后的生理响应及心电监测性能。

小结

本研究利用VPS在水凝胶内部构建稳定的气凝胶贯通网络，从结构和动力学层面突破了常规水凝胶气体传输受限的问题。在保持约70 vol%含水量的同时，材料实现185 barrer氧气渗透率，并兼具水蒸气传输、柔软耐久、导电和长期皮肤界面稳定性。其关键不在于简单增加孔隙率，而在于通过动态不对称性控制次相的空间连通方式。

从应用角度看，该策略为长期可穿戴电极、皮肤敷料、组织工程界面和声学软材料提供了可扩展的材料平台。后续若能进一步整合湿态黏附、无菌制造和规模化加工，并通过更系统的人体与动物验证，其在连续健康监测和高交换通量生物医学界面中的应用价值将得到更充分评估。

参考文献

Yan, X.-Y., Li, S. et al. Air-permeable hydrogels through viscoelastic phase separation of aerogels. Nature 655, 372-380 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10712-3