长久以来,水下生物信号监测一直是科学家们面临的重大挑战——无论是游泳者的心率追踪、溺水救援的紧急生命体征监测,还是海洋生物的行为研究,都需要传感器能在潮湿环境下快速、稳固的监测且不能伤害生物体。传统的水下监测方式主要依赖刚性机械固定或手术缝合,不仅限制了生物体的自由活动,还可能造成组织损伤。而现有的表皮粘附传感设备又面临着粘附响应时间长、湿润环境下粘附力弱以及难以规模化生产等关键问题。
近日,浙江大学运动科学与健康工程研究所所长彭玉鑫与高分子系许震、明鑫合作团队,在国际知名综合性期刊《Advanced Science》(IF:14.1)发表了一项重要研究——“Underwater Instant Adhesive Hydrogel Interfaces for Robust Biosensing on Diverse Species”(水下即时粘附水凝胶界面用于多物种的稳健生物传感)。本研究通过分子缠结工程策略(MEES),开发了一种具有即时水下粘附能力的水凝胶界面(PAMP水凝胶),为解决这一系列难题提供了创新方案。
研究团队将超高分子量聚环氧乙烷(UHMW-PEO)与传统聚丙烯酰胺(PAM)相结合,通过高分子缠结机制优化水传输通道,显著提高了水凝胶的溶胀动力学,实现了即时瞬态粘附;并通过PET基板上的刮涂和离子交联,实现了PAMP干凝胶的连续生产。这种标准化制造工艺为工业实际产品转化的提供了可能。PAMP水凝胶具有三大突破性特点:(1)超快速水下粘附:仅需10秒即可形成强力粘附;(2)卓越的界面韧性:界面韧性超过230 J·m?2,剪切强度达53 kPa;(3)组织般柔软:杨氏模量为109 kPa,与人体组织高度兼容。
图1 PAMP水凝胶的关键优势(强粘附、生物相容、柔性)、制备流程(刮涂、交联、干燥)、以及其即时瞬态水下粘附(10秒内)示意图。阐释了水凝胶如何通过快速溶胀和多重界面相互作用机制(氢键、共价键、配位键、缠结)实现快速强力的水下粘附。
为了确保 PAMP 水凝胶能应对复杂水下环境,团队从实验室到实际场景做了多轮严苛测试,结果令人惊喜:(1)多基底适配:在猪皮、织物、乳胶、PET 等 6 种常见基底上,PAMP 水凝胶的界面韧性均超 190 J/m2,其中对纸张、织物的黏附力最强(界面韧性超 400 J/m2)。即便是模拟深海 4 bar hydrostatic pressure(约 40 米水深)环境,黏附性能仍能保留 95% 以上,为深海生物监测提供可能。(2)长期稳定、重复用、耐储存:循环黏附 9 次后,界面韧性仍超 180 J/m2,剪切强度超 49 kPa;室温储存 14 天,黏附性能无明显下降,解决了传统水凝胶易降解的问题;生物相容性测试显示,NIH3T3 细胞在 PAMP 水凝胶浸提液中培养 72 小时,存活率与对照组无差异,细胞形态完好。(3) 卷对卷量产:团队还开发了标准化卷对卷制备工艺,将 PAMP 前驱体溶液在 PET 基底上刮涂,经 Ca2?交联、60℃干燥后,即可连续制备出大面积 PAMP 干凝胶,为实际产品转化提供了保障。
应用场景(一):人体水下运动监测
研究团队开发了一款柔性多模态生物传感贴片,集成心电、温度、运动和呼吸监测功能,通过PAMP水凝胶快速粘贴于游泳者胸部,实现了在游泳过程中心率、呼吸、体温和水下姿态的同步采集与分析。实验显示,该贴片在动态水下环境中仍能保持高信噪比,信号稳定可靠,适用于长期监测。
图2 多模态传感器(ECG, IMU, 温度)的柔性贴片设计、佩戴位置,以及在游泳测试中采集到的生理信号(心率、呼吸、体温、姿态)。证明了基于PAMP水凝胶的传感器能在水下运动环境中实现快速部署和长期、稳定、多参数的生理信号监测
应用场景(二):水下生物行为追踪
水下生物研究中,传统追踪方式(如缝合标签、刚性植入)会导致皮肤损伤、感染风险,甚至改变生物自然行为,而 PAMP 水凝胶的类组织柔软性与生物相容性,为跨物种监测提供了“温柔解决方案”。本研究汇总,PAMP水凝胶实现了传感器的即时、无创附着,为水生动物保护研究带来革命性变化。研究团队成功将该技术应用于,黑鱼、鲷鱼等水生鱼类以及螃蟹、乌龟等两栖生物,并在杭州西湖将传感器附着在一只鲶鱼上,进行了超过30分钟的连续高分辨率水下运动轨迹追踪。
图3 将传感器成功附着在多种水生及两栖动物(黑鱼、鲷鱼、螃蟹、乌龟)身上,并详细记录了在鲶鱼身上进行野外实地释放和轨迹追踪。验证了PAMP水凝胶能实现无创、快速的生物传感器附着,适用于多种不同物种,为水下动物迁移研究和保护提供了新的技术手段。
结语:开创水下生物传感新纪元
这项研究通过分子缠结工程策略,成功研发出 PAMP 水下即时黏附水凝胶,突破传统水下生物传感技术粘附慢、界面弱、难量产等核心瓶颈。该水凝胶 10 秒内实现水下强黏附,界面韧性超 230 J/m2,兼具类组织柔软性(杨氏模量≈109 kPa)与生物相容性,可通过卷对卷工艺规模化生产。其在人体游泳运动多参数监测与水生、两栖生物无损伤行为追踪中表现优异,为水下健康监测、野生动物保护提供创新方案。这项研究不仅建立了即时黏附水凝胶的分子设计框架,更推动了跨物种水下生物传感技术的实用化进程,为极端环境下智能材料的研发与应用奠定重要基础。
原文链接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202510702
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