【研究背景】

随着可穿戴电子、电子皮肤和个性化医疗的快速发展，人体电生理信号（心电、肌电、脑电等）的长期、连续、高质量监测已成为柔性电子领域的关键方向。这类信号能反映心脏节律、肌肉活动和脑功能，在健康监测、疾病筛查和人机交互中价值显著。然而，信号本身微弱，质量高度依赖电极—皮肤界面状态。在运动、出汗、油脂分泌和长时间佩戴条件下，柔性电极需保持低阻抗、强贴合和低噪声，方能满足真实场景需求。

导电水凝胶因兼具软组织般的柔软性、生物相容性和离子导电特性，被视为构建皮肤—电极界面的理想材料。但现有水凝胶电极仍面临三大瓶颈：力学模量与皮肤不匹配，运动时易产生非共形接触和运动伪影；导电填料常损害透明性、柔韧性或长期稳定性，难以兼顾低阻抗与稳定信号；反复形变和水分蒸发导致滞后疲劳、界面干燥和阻抗升高，引发基线漂移和信号失真。针对上述问题，本研究提出基于多重非共价相互作用的分子耦合设计策略，构建了自适应、高黏附、低滞后和低阻抗的PPGA-Al水凝胶界面，实现了长期高保真人体电生理信号采集。面向未来，水凝胶界面仍需持续优化：提升更长周期佩戴下的水分保持与界面稳定性；实现多模态电生理信号的有效解耦；适配不同皮肤状态及人群差异；并与无线采集、边缘计算及可穿戴系统深度集成。尤其针对脑电等复杂场景，需进一步抑制毛发、运动和环境干扰，推动其从实验室验证走向临床与日常健康监测的广泛应用。

【亮点 Highlights】

（1）提出多重非共价分子耦合策略，构建P(AM-co-AA)/gelatin/PHA/Al³⁺/AgNWs协同网络，制备自适应黏附PPGA-Al 水凝胶。

（2）PPGA-Al兼具皮肤匹配低模量(30 kPa)、高延展性 (948%)、低机械滞后(5.05%)和组织黏附（28 kPa），并实现低界面阻抗（26.2 Ω·cm²@1 kHz）。

（3）基于PPGA-Al的柔性电极实现ECG、EMG和EEG多模态电生理采集，可支持6 h高保真EEG 监测，在运动、出汗和油性皮肤条件下保持稳定信号。

【文章解读】

文章围绕“如何构建长期稳定的皮肤—电极通信界面”这一核心问题展开。研究团队首先指出，传统水凝胶电极的瓶颈并不只是导电性不足，而是界面力学、电学和环境稳定性之间存在耦合矛盾：材料太硬会导致贴合不良，材料太软又容易疲劳；导电填料过多可能损害柔性和透明性，填料过少又难以维持低阻抗；水凝胶含水量高有利于柔软和离子导电，但也会带来失水、干燥和阻抗漂移问题。基于这一判断，本文将材料设计的重点从单一性能提升转向多维界面协同优化。

图1. PPGA-Al水凝胶界面的分子设计、制备、性能与潜在应用。

图1展示了PPGA-Al水凝胶的整体设计思路。该材料以丙烯酰胺和丙烯酸共聚物P(AM-co-AA)以及明胶作为柔性分子骨架，通过植酸和 Al³⁺ 构建氢键与离子配位交联网络，同时引入银纳米线和盐离子形成离子—电子双导电通路。图中还展示了该水凝胶界面在 EEG、ECG和EMG等人体电生理监测中的应用场景，说明该体系并非单一材料改性，而是面向可穿戴电极界面的一体化设计。

图2. PPGA-Al水凝胶的微观结构与化学相互作用表征。

图2从微结构和化学作用层面验证了材料设计的有效性。形貌与多谱分析表明PPGA-Al的性能提升不是简单混合材料带来的偶然结果，而是来自分子尺度的网络重构。通过共聚物分子链、明胶分子链、植酸、Al³⁺和银纳米线之间的多重耦合作用，材料内部形成了兼具柔性、韧性、导电性和结构均一性的复合网络，为后续低滞后、高黏附和低阻抗性能奠定了基础。

图3. PPGA-Al 水凝胶的机械性能与界面黏附性能。

图3集中展示了PPGA-Al水凝胶的力学和黏附表现。结果显示，该水凝胶具有约30 kPa 的低杨氏模量，与软组织较为匹配；同时，其断裂伸长率接近946–948%，表现出较高柔韧性。更重要的是，该水凝胶在大应变拉伸—释放循环中表现出极低的滞后损耗，能量损失系数约为 5.05%，并且经过多次循环后性能基本保持稳定。在黏附方面，PPGA-Al能够与玻璃、塑料、陶瓷、金属、生物组织和人体皮肤等多种基底形成稳定接触。其在生物组织上的黏附强度约为28 kPa，并可在多次黏附—剥离循环后保持较好的黏附能力。

图4.基于 PPGA-Al 水凝胶界面的柔性电极结构与电学性能。

图4评估了PPGA-Al水凝胶柔性电极的电学性能。该电极由PDMS基底、碳电极层和水凝胶界面构成。测试表明，其在1 kHz下界面阻抗低至26.2 Ω·cm²，且放置后阻抗增幅较小，具备良好的抗干燥性和导电稳定性。电荷存储容量达5.95 mC·cm⁻²，经2000次循环后衰减不足10%，电化学稳定性优异。在0.1 Hz至1 kHz频率范围内，该水凝胶能快速响应输入信号，验证了其离子—电子耦合传输网络对微弱生物电信号的高保真转换能力。这些低阻抗、高稳定的特性，为其在ECG、EMG、EEG记录中的可靠应用奠定了基础。

图5. PPGA-Al 水凝胶电极用于 ECG、EMG 和EEG 电生理信号监测。

在实际应用验证中，PPGA-Al水凝胶电极实现了ECG、EMG和EEG多模态电生理信号采集。对于 ECG 信号，该电极可清晰记录心电特征波形，信噪比达28.48 dB，优于商业凝胶电极，并在运动、出汗和油性皮肤条件下保持稳定信号。对于EMG信号，该电极可在反复握拳过程中稳定记录前臂肌肉活动，信噪比达26.15 dB，并在多天测试中保持良好信号质量。在EEG监测中，研究团队将定制化水凝胶电极集成于32通道脑电帽，实现多通道脑电采集。采集信号可分离出α、β、γ、θ和δ等典型脑电节律，并在放松、认知任务和休息状态下呈现不同频谱特征。连续6 h脑电测试进一步证明了PPGA-Al电极具有低漂移和长期稳定性。

总体来看，该工作构建了从分子结构设计、微观表征、力学/电学性能评估到人体多模态信号采集的完整验证链条，证明了多重非共价分子耦合策略可在同一水凝胶界面中同时实现皮肤匹配模量、低机械滞后、强黏附、低阻抗和长期信号稳定性，为真实场景下的可穿戴电生理监测提供了新的材料设计思路。

【读后感】

PPGA-Al水凝胶界面的主要优势在于，它不是单纯追求导电性或黏附性，而是从皮肤—电极动态界面的真实需求出发，同时优化了力学匹配、界面黏附、抗疲劳、保水和电信号转换能力。该工作对于长期 ECG、EMG和 EEG 监测具有较强启发意义，尤其适合支撑下一代柔性可穿戴健康监测系统的发展。未来研究可进一步聚焦于更长时间真实佩戴、复杂运动场景、不同人群皮肤差异和多模态信号解耦算法，以提升系统级应用能力。另一方面，对于有发区EEG、临床患者群体和大规模可制造性等场景，仍需要进一步验证和优化。

【作者简介】

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所2023级硕士马骏和博士后王明序为论文共同第一作者，李连辉副研究员、张珽研究员为论文通讯作者。

李连辉，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副研究员。长期致力于柔性智能传感器设计制备及其在具身智能、脑机接口领域的应用研究。近年来在Nature Communications，Advanced Materials等国际知名期刊上共发表SCI学术论文50余篇，第一作者/通讯论文20余篇，引用4500余次，H指数35，多篇论文被选为ESI高引用论文。申请/授权发明专利10余项，申请国际PCT专利1项。担任Nature集团旗下Microsystems & Nanoengineering期刊青年编委。主持中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金面上基金、青年项目、中国博士后基金面上项目。曾获得“中国科学院院长特别奖”，入选中国科学院特别研究助理资助项目、江苏省双创博士等。

张珽，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副所长，博士生导师，创新实验室（i-Lab）研究部主任、NANO-X纳米真空互联实验站主任。致力于柔性电子技术、仿生智能传感技术、类脑芯片技术、可穿戴智能系统领域研究，在此基础上探索其在脑机接口、人工智能、医疗健康等相关战略领域的创新应用。以第一/通讯作者在Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials等学术期刊上发表学术论文150余篇，申请发明专利100余项，其中多项发明专利已成功许可和产业转化。近五年应邀在纳米科技、柔性电子学、智能传感技术、可穿戴智能技术等学术会议作邀请报告50余次，并多次担任国际国内会议主席等。承担了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重大研究计划、科技部国家重点研发计划重点专项课题、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、江苏省基础研究计划重点项目等科研项目。

【基金支持】

本项研究得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目（62125112）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0520301）、国家自然科学基金项目（62401561、62471465）、中国博士后科学基金（2024M762320）以及江苏省自然科学基金（BK20243004）的支持。

【文献链接】

J. Ma, M. Wang, B. Zhang, H. Yin, C. Zhou, Y. Wang, M. Hao, C. Ge, Y. Zhou, G. Chen, L. Li, T. Zhang. A self-compliant and adhesive hydrogel interface for chronic electrophysiological monitoring. Wearable Electronics 3, 135–145 (2026).

DOI: https://doi.org/10.1016/j.wees.2026.02.001

【期刊简介】

Wearable Electronics （WE）是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。

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