《自然·通讯》苏州纳米所李连辉/张珽：皮肤—水凝胶共生界面实现长期高保真电生理监测

可穿戴电生理监测设备被视作解读人体“电语言”的关键技术，在健康管理和疾病预警方面潜力巨大。然而，如何构建一个既柔软舒适、又能长期稳定工作的电极-皮肤界面，长期以来是该领域面临的核心瓶颈。传统水凝胶电极虽具备优异的离子导电性，却普遍受困于水分流失、透气性差以及运动时界面滑动等问题，不仅导致信号质量随时间急剧下降，还会因堵塞毛孔引发皮肤不适，严重制约了其在日常和医疗场景中的可靠应用。

针对上述关键问题，中国科学院苏州纳米所张珽研究员团队构建了具有嵌入增强结构的透气导电水凝胶网络（BCHN），并提出“共生皮肤-水凝胶界面”概念。该材料将含NaCl的PVA水凝胶嵌入三维多孔PLA纤维骨架，在保留开放孔道的同时形成连续离子通路和丰富的亲水吸附位点。BCHN电极弯曲刚度低至约10-10 N·m²，水蒸气透过率达1.85 kg·m-2·day-1，离子电导率为1.43 S·m-1，1 kHz阻抗低至19.93 Ω。其通过“汗液捕获-水分渗透-蒸发释放”维持界面动态水合平衡，即使在20%相对湿度下仍可保持约55 Ω阻抗。基于此，BCHN电极可在运动、出汗和长期佩戴条件下稳定采集心电、肌电和脑电信号，连续使用30天后信噪比仍高于25 dB，并可用于认知状态识别及驾驶疲劳定量评估。

该工作协同调控机械贴合、水分交换与离子传输，实现了透气、保水与电学稳定性的兼顾，推动皮肤-电极界面由被动黏附向动态共生转变，为长期电生理监测及智能健康应用提供了新思路。相关成果以 A Symbiotic Skin Hydrogel Interface Enabled by Flexible Hydrogel Network with Embedded Enhancement Structure 为题发表在 Nature Communications。文章第一作者为中国科学院苏州纳米所硕士研究生马骏，李连辉副研究员和张珽研究员为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

图1. 透气导电水凝胶网络的结构设计与多功能特性

图1展示了BCHN电极的结构设计及综合性能。研究团队将含NaCl的PVA水凝胶嵌入氧化PLA三维多孔纤维骨架中，使水凝胶沿纤维表面及交叉区域形成互穿网络，在构建连续离子传输通路的同时保留水蒸气通道。FTIR和XPS结果证实，PVA与氧化PLA之间形成氢键和链缠结，提高了界面稳定性。优化后，BCHN孔隙率约41%、孔径约1～2 μm，水蒸气透过率达到1.85 kg·m-2·day-1，14天水分损失仅约6%。当厚度约10 μm时，其弯曲刚度低至约10-10 N·m²，可紧密贴合皮肤微纹理并减少界面滑移，为长期稳定电生理监测提供基础。

图2. BCHN电极的离子传输与电学性能

图2比较了多孔BCHN与非多孔水凝胶电极的离子传输性能。BCHN通过三维多孔骨架构建聚合物链段跳跃与液态离子扩散协同的连续水合通路，有效缩短离子迁移距离并提高导电效率。其在1 kHz下阻抗低至19.93 Ω，离子电导率达到1.43 S·m-1，同时显著降低内部串联电阻和界面电荷转移电阻。在0.1 Hz至10 kHz范围内，BCHN对输入信号的相位延迟低于0.5°、幅值衰减低于0.1%，明显优于非多孔电极。此外，其电荷注入容量达到0.535 mC·cm-2，并在1000次循环后保持稳定，体现出良好的长期电化学可靠性。

图3. 共生皮肤-水凝胶界面的水分调控机制

图3阐释了BCHN电极与皮肤之间的动态水分交换及湿度自适应机制。嵌入式水凝胶网络可吸收汗液和环境水分，多孔纤维骨架则促进水蒸气排出，通过吸湿与蒸发的动态平衡维持界面水合和稳定离子传导。随着含水量由40%增至120%，其1 kHz阻抗由约1600 Ω降至35 Ω，并在约80%含水量后趋于稳定。静息和运动状态下，皮肤接触阻抗均低于3 kΩ。仅添加7.5 wt%甘油，BCHN即可在20%～80%相对湿度范围内保持稳定的重量和阻抗，体现出良好的界面微环境自调节能力。

图4. BCHN电极的心电与肌电监测性能

图4展示了BCHN电极的心电和肌电监测性能。其可稳定记录清晰的P–QRS–T波，平均心电幅值约1.95 mV，信号波动和基线漂移均较低；连续佩戴30天后，信噪比仍高于25 dB，明显优于商业电极。肌电测试中，BCHN同样表现出更低的背景噪声，出汗后信噪比仍约为28 dB，噪声功率低于1×10-3 mV²。上述结果表明，BCHN凭借良好的透气性和皮肤共形能力，可在运动、出汗及长期佩戴条件下保持稳定的电生理信号质量，并具有良好的生物相容性。

图5. 脑电监测与认知状态识别

图5展示了BCHN电极在脑电采集和认知状态识别中的应用。研究团队将BCHN电极与丝网印刷电路、蓝牙模块集成，构建了额叶FP1/FP2双通道无线脑电系统，可实时传输并分析脑电信号。该系统能够清晰区分δ、θ、α、β和γ频段，并稳定识别静息、工作和放松状态下的脑电节律变化：工作时α功率降低近60%、β活动增强，放松后α节律恢复。相比商业电极，BCHN具有更低的长期信号漂移，额叶α不对称性波动保持在±0.2以内，体现出稳定的认知状态监测能力。

图6. 长时间驾驶疲劳监测与定量评估

图6展示了BCHN电极在真实道路驾驶疲劳监测中的应用。研究团队连续5小时采集额叶FP1和FP2脑电信号，稳定识别清醒、轻度疲劳、音乐干预和重度疲劳等阶段。通过分析θ/α、θ/β、α/β及（θ+α）/β等指标，并结合主观量表和行为测试，实现了驾驶疲劳的定量评估。随着疲劳加深，θ活动增强、α活动减弱，相关疲劳指标持续升高；音乐干预可使部分指标改善约10%～15%。综合疲劳评分在驾驶约3小时后超过60，表明BCHN电极可在运动、出汗和振动条件下稳定追踪神经状态变化，为驾驶疲劳监测和智能预警提供可靠支撑。

来源：中国科学院苏州纳米所