超柔软/可渗透/低阻抗水凝胶，用于可穿戴生物电子的人机界面

一、文章概述

水凝胶 是由交联的多孔聚合物网络和占据网络间隙的水分子组成。因此，水凝胶既柔软又保湿，其机械结构和物理特性与人体组织相似。因此，这种水凝胶具有将可穿戴设备和人体皮肤之间的微尺度间隙变成组织状空间的潜力，可作为高效的人机交互界面。

近日， 韩国首尔国立大学Dae-Hyeong Kim 、 基础科学研究所Sangkyu Lee 和 韩国釜山国立大学Ji Hoon Kim教授 研究团队 提出了一种在可穿戴生物电子学和人体皮肤之间构建类组织、准固体界面材料和器件的策略 。 关键材料是超薄型功能化水凝胶 ，其具有高质量的可渗透性和低阻抗的非凡特征。功能化的水凝胶充当在皮肤上的液体电解质，并为可穿戴式电化学生物传感器和电生理器件构建了一层极其保形且低阻抗的人机界面。此外，其多孔结构和超薄厚度促进了目标分子在通过界面时的有效运输。因此，这种功能化的水凝胶将助力于各种可穿戴生物电子产品，从而实现性能最大化。相关研究工作以题为“ Tissue-like skin-device interface for wearable bioelectronics by using ultrasoft, mass-permeable, and low-impedance hydrogels ”发表在国际顶尖学术期刊 Science Advances (IF=13.116) 上。

二、图文导读

（1）研究人员通过使用超薄的功能化水凝胶开发了一种类似组织的准固体人机界面。这种超软水凝胶可以将可穿戴设备与人类皮肤无缝集成。

图1、通过使用超柔软、高质量可渗透且低阻抗的水凝胶获得的类组织的皮肤-设备界面。

（A和B）柔性聚酰亚胺（PI）膜（A）和安装在人造皮肤上的组织状超软水凝胶（B）的扫描电子显微镜（SEM）图像。

（C）人体皮肤与可穿戴生物电子设备之间水凝胶界面的结构，要求和作用的图示。可穿戴设备用于透皮生物分析和治疗，例如tcPO2监测、透皮药物输送、组织阻抗感测和电刺激。

（D）在柔性基板上的集成可穿戴设备的图片。该系统包括用于生物传感和治疗的四种代表性类型的设备，每个设备都与超薄功能化水凝胶集成在一起。

（E）tcPO2传感器上可渗透质量的水凝胶的图片。

（F）透皮神透电刺激仪（TENS）电极上的低阻抗水凝胶的图片。

（G）应用于人体皮肤的集成设备的图片。

图2通过水凝胶进行的传质和传热的实验和计算分析。

（A）显示水凝胶的细胞结构的SEM图像。

（B）该图说明了将基于Voronoi细胞的模型转换为连续模型的过程。

（C）通过堆叠几个薄水凝胶模型制成的厚水凝胶模型。

（D）各种厚度的透氧水凝胶的数量。

（E）通过各种厚度的水凝胶的氧扩散的计算分析。

（F）通过共聚焦显微镜观察到的若丹明B染料向水凝胶中的扩散深度。

（G）药物离子向水凝胶中扩散的计算分析。

（H和I）裸露的加热板和覆盖有薄（150μm）和厚（1000μm）水凝胶的加热板的红外（IR）摄像机图像（H）和温度与时间的关系图（I）。

（J）通过各种厚度的水凝胶传热的有限元分析。

（2）此外，水凝胶对生物分析物和药物具有高质量的渗透性。研究人员还配制了基于PEDOT:PSS的低阻抗水凝胶。通过理论分析证实了超薄功能化水凝胶的性质。

图3低阻抗水凝胶的合成与表征。

（A）使用PEDOT:PSS的低阻抗水凝胶的制备过程。

（B）低阻抗水凝胶的内部结构示意图。

（C-D）裸露的PAAm水凝胶（C）和PEDOT:PSS/PAAm水凝胶（D）的FT-IR光谱。

（E-H）裸露PAAm水凝胶（E）和PEDOT:PSS/PAAm水凝胶（F-H）的SEM图像。

（I-J）裸PAAm水凝胶（I）和低阻抗水凝胶（J）的激光切割样品的图像。

（K）具有各种浓度的PEDOT:PSS的水凝胶的Bode图。

（L）在1和100 Hz下具有各种浓度的PEDOT:PSS的水凝胶的阻抗。

（M-N）裸PAAm水凝胶，具有0.1 M NaCl的PAAm水凝胶和具有1.8 wt％PEDOT:PSS的水凝胶的Bode（M）和Nyquist（N）图。

（3）为了验证所提出的水凝胶界面的实用性，开发了具有水凝胶界面的可穿戴生物电子设备用于tcPO2感测、阻抗感测、离子电渗疗法和TENS。

图4、可穿戴式透皮生物传感器，用于测量tcPO2和局部阻抗。

（A和B）用于测量tcPO2和局部组织阻抗的可穿戴式透皮生物传感器的插图（A）和相应的图片（B）。

（C）具有不同尺寸的工作电极的循环伏安法（CV）分析。

（D）超微电极（UME）概念的示意图。

（E）使用具有不同接触的电极对组织阻抗的电化学阻抗谱分析。

（F）人体三个不同部位的阻抗。

（G）具有液体电解质和水凝胶界面的氧气传感器的校准曲线。

（H）附着在脚上用于体内测量tcPO2的传感器的图像。

（I-J）各种腿部位置的体内tcPO2测量结果；当受试者站立时（I，左）、腿处于平坦位置（I，右）以及抬高的腿移回到平坦位置（J）时。

（4）通过体外和体内的一系列实验，证明了该设备用于可穿戴式诊断和治疗的性能。因此，这种类似组织的水凝胶界面，具有让各种可穿戴生物电子器件成功应用的巨大潜力。

图5用于经皮药物输送和电刺激的可穿戴治疗设备。

（A-B）用于自供电离子电渗疗法和TENS的设备的插图（A）和相应的图片（B）。（B）中的插图显示了AgCl阴极和Zn阳极的微观结构。

（C）由AgCl阴极和Zn阳极组成的原电池的时间分辨放电曲线（低于200μA），用于自供电离子电渗疗法。

（D）原电池最大功率的估算。

（E）通过自然扩散和自供电离子电渗疗法贴片（红色，若丹明B离子作为模型药物，易于观察）将药物体外递送到猪皮肤中。

（F）使用自供电的离子电渗疗法贴片在体内递送药物（盐酸地尔硫卓）。R-R间隔是通过ECG测量获得的。插图显示了附着在Sprague-Dawley（SD）大鼠腹部的自供电离子电渗疗法贴片。

（G-I）使用具有湿接触的电极，具有0.1 M KCl的PAAm水凝胶和在1 Hz（G），10 Hz（H）和100 Hz（I）下的PEDOT:PSS/PAAm水凝胶在猪皮肤上进行电荷注入测试。

（J）每种电极在不同频率下的最大电流注入。

三、论文信息