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浙江大学彭玉鑫、许震、明鑫团队 Adv. Sci.: 水下即时粘附水凝胶 - 颠覆水下监测方式
2025-08-30  来源:高分子科技

  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 ScienceIF14.1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研究通过分子缠结工程策略MEES,开发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109 kPa,与人体组织高度兼容



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 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 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。



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。



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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(责任编辑:xu)
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