可穿戴式和可植入式传感器的应用将为健康监测、疾病诊断和精准医疗带来革命性的变革。记录脑神经信号等电生理信息在健康监测和疾病诊断中具有重要意义。然而，由于传感器和组织之间的化学力学不匹配，随着时间的推移，异物反应和性能损失是主要的挑战。

近日，中国科学院长春应用化学研究所陈卫研究员与张强研究员等人合作，将微凝胶被用作水凝胶网络中的大型交联中心，以调节模量和抗疲劳/拉伸能力之间的权衡，从而获得与神经组织的化学力学特性非常匹配的水凝胶材料。与纳米颗粒增强水凝胶相比，该水凝胶表现出明显不同的特性。水凝胶具有较低的模量、良好的拉伸性能和优异的抗疲劳性能。实验证明，该水凝胶非常适合制作可穿戴和可植入的传感器，可以获取生理压力信号，记录大鼠脑内局部电场电位，并通过损伤的周围神经传递信号。这种水凝胶表现出良好的组织化学力学匹配，可忽略的异物反应，在一段较长的时间内信号衰减最小，因此被成功地证明用于长期植入式感觉装置。相关工作以“Highly Stretchable Hydrogels as Wearable and Implantable Sensors for Recording Physiological and Brain Neural Signals”为题发表在最新一期的《Advanced Science》。

图1. 水凝胶结构示意图及其在可穿戴和可植入传感器中的应用。

研究者展示了水凝胶在多用途传感应用中可穿戴和可植入传感器的功能，即(图1)：i)基于水凝胶的可穿戴传感器可以记录运动、发音、心电图、肌电等生理健康信号。ii)将水凝胶电极植入大鼠大脑海马CA1区，记录局部电场电位(local field potential, LFPs)，与常用金属电极相比，在长期应用过程中，LFPs表现出更稳定的信号和更少的免疫化学排斥反应。iii)利用水凝胶制备神经引导导管(neural guidance conduit, NGCs)，桥接受损坐骨神经远端残端，具有良好的神经信号传输能力。

图2. a)水凝胶的合成和结构。b)水凝胶网络中微凝胶拉伸变形示意图。c)微凝胶和d)乙烯基改性微凝胶的TEM图像。e) HM-2的SEM图像。

【水凝胶的制备与表征】

水凝胶的合成及其对机械张力的变形响应如图2a,b所示。经过功能化反应后，干燥状态下微凝胶的尺寸从523±21 nm增大到660±31 nm，如图2c,d所示。以丙烯酰胺(AAm)、甲基丙烯酸月桂酯(LMA)和过硫酸钾(KPS)、四甲基乙二胺(TMEDA)引发的乙烯基修饰微凝胶为原料，通过自由基聚合法制备了水凝胶。当乙烯基参与聚合反应时，微凝胶与聚合物网络共价连接。通过cyro-SEM对合成水凝胶的形貌进行了表征(图2e)。可以看出，微凝胶均匀分布在水凝胶基质中，没有聚集现象。

a)水凝胶的拉伸应力-应变曲线。b) HM-2吊重板、螺丝刀刺、手术刀切割、氮气吹气的机械性能演示。c)应变为100-500%的连续加卸载试验。d) HM-2原样品和回收样品的抗疲劳性能。e) HM-2在500%应变下连续拉伸200次。f) HM-0(上)和HM-2(下)压缩照片。g)水凝胶的压缩应力-应变曲线。h)连续加卸载试验，计算应变10-90%时的耗散能。i) 20%应变，压缩20 min后循环10次的应力松弛曲线。j) HM-2在20%和50%应变下连续压缩500次。k) HM-2的循环剪切应变测量。

记录水凝胶的应力-应变曲线，研究微凝胶含量对力学性能的影响(图3a)。HM-2试样获得了最大抗拉强度。HM-2的弹性模量为59.7 kPa，抗拉强度为1.01 MPa，断裂伸长率为1866%。所有水凝胶样品的弹性模量确定在47.0-59.7 kPa范围内，与生物神经组织的弹性模量(1-100 kPa)相匹配。随后进行了拉伸加卸载试验，如图3c所示。在这些试验中未观察到明显的性能损失，表明其具有良好的抗疲劳性能和自恢复能力。随后，对HM-2进行了连续的压缩试验，以检验其弹性、自恢复能力和疲劳抗力。然后对HM-2进行不同应变下的循环压缩试验。压缩应力-应变曲线如图3g所示。压缩应力和滞回线随应变增大而增大，呈现典型的弹性特征(图3h)。在90%应变时，压缩应力和耗散能分别为1.94 MPa和0.068 MJ m −3。这些结果表明，HM-2在抗拉伸和抗压缩方面具有优异的抗疲劳性能，这使得水凝胶作为一种合适的材料，在长期的感官应用过程中，能够以最小的基线漂移获得稳定的信号。

图4. a)对HM-2的电阻随应变的变化而变化。b) HM-2应变在0.25 ~ 50%时的电阻变化。c) HM-2在100-1500%应变下的电阻变化。d) HM-2传感器与其他报道的水凝胶应变传感器的最大应变和应变系数进行比较。e) HM-2应变传感器的响应时间和恢复时间。f) HM-2在50%应变下的电滞后。g) HM-2在5 - 25kpa压力范围内进行5次压放循环试验。h) HM-2压力传感器的响应时间和恢复时间。i)在20kpa压力下，HM-2在一组压缩速度下的阻力和应力变化。

【触觉和可穿戴传感器的传感性能】

当HM-2被拉伸或压缩时，LED灯的亮度发生显著变化。这种现象是由于HM-2板材变形引起的电阻变化造成的。电阻变化(ΔR/R 0)与拉伸应变的关系如图4a所示。ΔR/R 0在指定应变区间内的线性变化使HM-2能够适应表皮和组织的变形，这是可穿戴设备应用的一个重要特征。在0.25%-1500%的应变范围内评估HM-2传感器的重复性(图4b,c)。HM-2传感器在每个应变下被拉伸5次，观察到类似的电阻变化曲线，表明在整个应变范围内具有良好的重复性。与其他应变传感器相比，HM-2传感器具有更大的GF值和更宽的检测范围。需要注意的是，HM-2传感器的响应速度快(197 ms)，恢复时间短(269 ms)，在拉伸试验中没有电滞现象，这是应变传感器所需要的特性(图4e,f)。在压缩测试中，HM-2传感器的压力响应重现性良好，响应速度快(144ms)，恢复时间短(128ms)(图4g,h)。：此外，随着拉伸或压缩速率从10 mm min −1增加到200 mm min −1，传感器的ΔR/R 0几乎保持不变(图4i)。上述结果表明HM-2作为触觉传感器具有良好的重复性和稳定性。

图5. a)在30°、60°和90°角度下，HM-2电阻对手指弯曲的响应变化。b) HM-2阻力随弯头弯曲和释放的变化。c)手指按下HM-2传感器时电阻的变化。d,e)走路，f)说话时，佩戴者会发出实时的阻力信号。g,h)心电检测及结果。i)志愿者做一些手势时的肌电图信号。

此外，HM-2卓越的机械性能使其用作可穿戴生理信号设备。相关测试结果如图5所示，综合结果表明，HM-2电极片能够采集高质量的电生理信号。

图6. a) RSC96细胞在一套浸出液中24 h的活力。b)用于生物相容性研究的电极植入位置示意图。c)脑切片共聚焦显微图：小胶质细胞(绿色)和星形胶质细胞(红色)。d)在0 ~ 100、100 ~ 200、200 ~ 300µm深度范围内300 × 300µm正方形区域内小胶质细胞和星形胶质细胞的统计数量。e)细胞计数区域对应的共焦图像的平均荧光强度。

图7. 大鼠体内神经信号的检测。a)自由运动大鼠LFPs检测装置示意图。b)大鼠植入HM-2电极的照片和植入位置的指示。c)大鼠大脑植入HM-2电极的显微照片，使用DAPI作为核荧光染色剂。d) HM-2和铂电极记录的LFPs。e)图7d的信号谱图。f) HM-2和铂电极检测4周后在睡眠状态下记录的LFP信号。g) (f)对应的功率。h)在体神经元峰值记录装置。i)在体内记录大鼠的神经元尖刺。j)尖峰排序结果：叠加尖峰信号(蓝色)和排序后的尖峰平均波形。

【小结】

本研究开发了一种策略是将微凝胶作为水凝胶网络中的大型交联中心，与无机填料增强的水凝胶相比，微凝胶具有先进的仿生化学力学性能。水凝胶具有较低的模量，但具有优异的拉伸性能和抗疲劳性能。这些增强的性能指标使水凝胶材料适用于可穿戴和可植入应用。水凝胶具有检测各种生理信息的能力，如语音、心电图和肌电图，这些都是有用的个性化健康诊断指标。水凝胶电极与脑神经组织在化学力学特性上的紧密匹配，减少了微运动，增强了信号通过生物混合界面的传输，并最大限度地减少了异物反应，从而使水凝胶特别适合植入式应用。将水凝胶电极植入大鼠大脑海马CA1区，成功地实现了4周的LFPs原位记录，并能产生稳定的信号，且随时间的衰减较低。水凝胶电极具有优异的神经信号传输性能。当使用基于水凝胶的NGCs桥接受损坐骨神经的两个远端残端时，获得的CMAP数据与完整的坐骨神经相当，植入4周期间没有可见的信号传输丢失。所有成功的应用都源于先进水凝胶的固有特性，如与神经组织匹配良好的机械化学性能、优异的拉伸性能和出色的抗疲劳性能。本工作的进展将有助于理解信号通过生物混合界面的传输，为人机交互的研究提供更多的机会。