心血管植入电子设备（CIEDs）面临高频电磁干扰和功能集成的双重挑战。本研究创新性地开发了一种基于双网络离子水凝胶策略的多功能材料（h-CA-PAM-Li⁺），实现了高效电磁屏蔽（EMI SE_T高达63.75 dB） 与自供电生理信号监测的集成。该水凝胶以海藻酸钠（SA）/Ca²⁺物理交联网络和聚丙烯酰胺（PAM）化学交联网络构成双网络骨架，通过调控Li⁺浓度梯度与水化效应，构建了以离子极化-界面弛豫为核心的吸收主导型屏蔽机制（A>R）。得益于优异离子电导率（最高51.48 S cm^-1），该水凝胶被封装在PDMS薄膜中制成自供电传感器，集成无线模块后可实时捕获心跳等生理信号，在动态环境中保持高灵敏度和抗干扰能力。这种无传统导电填料的材料兼具生物相容性、低成本和可设计性，为植入式电子设备的电磁防护与智能监测提供了一种“材料-器件-系统”一体化解决方案。

  近期，华南农业大学胡传双教授/林秀仪副教授/徐江涛副教授团队，以“Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics”为题在《Advanced Science》上发表研究文章。文章第一作者是华南农业大学博士研究生王臣臣。团队提出“双网络离子水凝胶”策略（SA/Ca²⁺ 物理交联 + AM原位聚合PAM化学交联），以低成本离子盐溶液替代传统填料。通过调控盐浓度（Li⁺）与水化效应，协同优化离子浓度梯度与迁移通道（CA链G-block单元与Li?特异性配位形成定向通道），构建以强离子极化-界面弛豫为主导的高效电磁波吸收机制。利用水凝胶优异离子电导率，设计并制造集成电磁屏蔽与自供电传感（基于摩擦电效应）功能的柔性电极，实现保护与监测一体化。

图1. CA-PAM-Li⁺ 和h-CA-PAM-Li⁺水凝胶设计与合成示意图

  采用海藻酸钠（SA）与钙离子（Ca²⁺）交联形成第一网络；同时，丙烯酰胺（AM）单体在引发剂过硫酸铵（APS）和交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）的作用下进行原位聚合，形成聚丙烯酰胺（PAM）第二网络，从而构建出双网络结构。引入锂离子（Li⁺）使其与海藻酸链上的G嵌段单元（G-block）发生特异性配位作用，形成定向的离子传输通道。 最后， 通过水化处理进一步优化离子迁移路径并增强界面弛豫效应。

图2. (a) LiCl、(b) H₂O 和 (c) LiCl-H₂O 的表面静电势，(d)、(e) 离子水凝胶系统中的离子导电路径。

  DFT计算结果表明，Li⁺与水分子间的距离（0.189 nm）显著短于Cl^-与H原子间的距离（0.253 nm），证实了Li⁺-H₂O相互作用更强，这有利于电荷转移过程。在水凝胶体系中，表面丰富的亲水基团（-OH, -COOH, -NH₂）通过氢键有效固定水分子，形成连续的三维（3D）自由体积网络，从而构建了多尺度的离子迁移通道。其中，G-block单元与Li⁺的特异性配位进一步促进了离子的定向传输。同时，聚丙烯酰胺（PAM）链上的氨基通过氢键网络形成了富集水合Li⁺的局部微环境，有效降低了Li⁺脱溶剂化过程的能垒。此外，水化处理增强了LiCl-H₂O体系表面静电势分布的复杂性和非均匀性，有利于提升偶极极化损耗。

图3. (a, b) 不同 Li⁺ 浓度的 CA-PAM-Li⁺水凝胶在X波段的电磁干扰屏蔽性能，(c) 传导性，(d) 衰减常数，(e) 阻抗匹配，(f) SE_A/SE_T。

  Li⁺ 浓度对CA-PAM- Li⁺水凝胶的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE_T）具有显著影响，其SE_T值随Li⁺浓度的增加而提高，其中1.0 M样品（CA-PAM-Li⁺-1.0）展现出最优性能，达30.29 dB。这主要归因于高电导率增强了材料与电磁波（EMW）的相互作用。然而，电导率并非唯一决定因素，因为电导率最高的2.0 M样品（CA-PAM-Li⁺-2.0）其SE_T并非最优。性能最优的1.0 M样品关键在于其优异的综合电磁性能：高衰减常数(α)表明材料内部具有更强的电磁波损耗能力，允许更多EMW进入并被有效耗散；阻抗匹配值(Z)在0.4-0.9之间（接近1为最佳），配合适中的电导率，显著提高了EMW进入材料内部的概率，减少了表面反射；同时，SEM观察揭示该样品具有独特的蜂窝状微观结构，这种结构增加了EMW在材料内部的传播路径和多重反射/散射机会，进一步促进了能量耗散。最终，1.0 M样品的吸收效能（SE_A）贡献了总SE_T的93.49%，其吸收系数(A=0.63)显著高于反射系数(R=0.3)，明确证实其屏蔽机制以吸收主导为核心。

图4. (a) 导电性，(b, c) 不同Li⁺浓度的h-CA-PAM-Li⁺水凝胶在X波段的电磁干扰屏蔽性能，(d) h-CA-PAM-Li⁺-1.0和CA-PAM-Li⁺-1.0性能比较，(e) 阻抗匹配，(f) 衰减常数，(g)水凝胶放置不同时间的实物图片，(h, i) h-CA-PAM-Li⁺水凝胶放置不同时间的电磁干扰屏蔽性能。

  经水合处理后，h-CA-PAM-Li⁺系列水凝胶的电导率和电磁干扰屏蔽总效能（EMI SET）均获得显著提升。其中，h-CA-PAM- Li⁺-1.0的平均SET高达63.75 dB，相较于未水合的CA-PAM-Li?-1.0提升了110.4%，其吸收效能（SEA）达到60 dB左右（占总SET的93%以上），对应的屏蔽效率(SE)超过99.9999%。性能的提升主要源于以下机制的协同增强： 水化作用显著提高了离子电导率，从而增强了传导损耗；体系中引入的更多水分子大幅提升了极化损耗能力（体现为高介电常数，且水分子通过氢键网络增加了极化界面）；同时，优化后的阻抗匹配（Z值在0.6-1.0之间）使得更多电磁波（EMW）能够进入材料内部被吸收，而非在表面反射；此外，材料的衰减常数(α)也得到显著提高，进一步强化了其内部损耗EMW的能力。值得注意的是，该材料展现出良好的稳定性与可恢复性。 尽管放置15天后因水分蒸发导致SET降至44.67 dB，但通过简单的重新水合处理即可有效恢复性能（例如30天后重新水合，其SET仍可恢复至43.62 dB）。这种优异的性能维持能力得益于体系中LiCl固有的高吸湿性，有助于材料在环境中的水分保持。

图5. (a) SE_A/SE_T，(b) h-CA-PAM-Li⁺-1.0水凝胶的屏蔽效率，(c)功率系数，(d) EMI屏蔽水凝胶的性能对比图，(e) EMI 屏蔽水凝胶的实际应用，(f) h-CA-PAM-Li⁺水凝胶的 EMI 屏蔽机理图

  h-CA-PAM-Li⁺-1.0水凝胶展现超高效吸收主导型电磁屏蔽特性，其吸收效能占比（SE_A/SE_T）>95%，总屏蔽效能（SE_T）达63.75 dB（SE>99.9999%），且吸收-反射系数比（A/R）>1.25。在同等厚度下，该材料的SE_T与A/R值显著优于近期报道的水凝胶/有机凝胶体系。实际应用中，该材料成功将笔记本电脑辐射场强（61 V/m, 0.61 μT）实时抑制至安全阈值（<40 V/m, <0.4 μT）。其卓越性能源于三重协同损耗机制。离子电导网络（Li⁺提升电导率，强化传导损耗）、极化增强体系（水分子通过氢键网络提升偶极/界面极化能力，异质界面（PAM/CA/H₂O/Li⁺）优化界面极化）及结构耗散路径（多重反射/散射）。

图6. (a) h-CA-PAM-Li⁺水凝胶的优势和灵活的传感应用，(b)拍手，(c)手指敲击，(e，f)平静和运动时的心跳监测。

  以PDMS薄膜封装的h-CA-PAM-Li⁺水凝胶作为电极，构建了基于摩擦电效应和静电感应的单电极模式自供电传感器，通过接触-分离运动将机械能直接转化为电信号。该器件在动态响应测试中展现出高灵敏度与快速响应特性。手掌拍打和手指敲击产生的信号幅度与作用力呈正相关，且能清晰区分接触面积和频率变化；同时可稳定感知10g至100g静态压力梯度。在生理监测应用中，贴附于人体胸部时可实时捕获高信噪比心跳信号（平静状态下呈典型正弦波形），特别在运动状态下，通过自适应滤波算法仍能有效提取加速心率特征，验证了其在动态环境中的抗干扰能力。

  本研究通过材料设计-机制调控-器件集成策略，成功开发出兼具高效电磁吸收与自供电传感功能的双网络离子水凝胶（h-CA-PAM-Li⁺），为植入式电子设备的电磁兼容性问题提供突破性解决方案。该工作为设计集电磁防护、能量收集与生物传感于一体的先进功能材料提供范式，在可穿戴医疗电子及健康监测领域具广阔应用前景。

  【原文信息】

  C. Wang, Y. Ding, T. Wu, Z. Li, C. Hu, Z. Wang, Y. Zhou, X. Lin, W. Zhang, J. Xu, Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics. Adv. Sci. 2025, e09115.

  原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202509115