当前conformal 电子设备及水凝胶材料存在多方面局限，具体为：（1）传统 conformal 电子设备，需在模具中预定制形状以适配目标器官，过程复杂且限制植入后的自由变形；（2）刺激响应材料缺陷：多数依赖温度、光、化学物质等 harsh 刺激，易损伤生物组织，且部分材料在湿度＞30% 时即提前收缩，无法正常使用。

  为解决上述问题，济大王鹏博士/复旦大学李卓教授/浙理工孟垂舟教授/河工大张争艳教授近日联合在Advanced Functional Materials上发表了题为“Transparent Conductive Hydrogels with Water-Responsive Contractility, Repairability, and Biocompatibility for Visible Conformal Shape-Adaptive Tissue-Adherent Monitoring”的研究成果。论文第一作者是河北工业大学机械工程学院孙桂芬博士，该成果为设计了一种具备水响应收缩性、可修复性与生物相容性的透明导电水凝胶，其采用PEG-α-CD/PEO 与 PVA 双交联网络结构，添加 [BMIm] BF4 作为离子导体、甘油 - 水二元溶剂提升性能；该水凝胶在湿度低于 65% 时稳定无提前收缩，遇二元溶剂可在 2 分钟内快速收缩，拥有 635% 的宽检测范围、50ms 快速响应及 1.81MPa 机械强度，经体外细胞毒性测试（HEK293 细胞存活率超 84.39%）和体内皮下植入实验验证生物相容性，可贴合皮肤、心脏、肌腱等软组织，实现生理信号（如 ECG）和运动信号的可视化 conformal 形状自适应监测，为下一代智能生物电子设备提供新范式。

图 1：凝胶的制备与工作机理。图a：水凝胶的结构示意图。左边是拉伸后的状态，右边是遇二元溶剂收缩、修复后的样子，清晰展示了“拉伸 - 收缩 - 恢复”的循环过程。b：PEO 膜的拉伸变化（上）和 SEM 电镜图（下）。未拉伸时 PEO 是球晶结构（左），拉伸后球晶变形、分子链定向排列（中），再拉伸则形成纤维桥（右）。c-d：分子动力学模拟结果。图c 是拉伸水凝胶在二元溶剂中的状态，能看到分子排列变松散；d 显示，浸泡后体系的氢键数量大幅增加，触发收缩。e：分子扩散系数变化随着浸泡时间增加，扩散系数下降，说明分子运动变慢，收缩速度会逐渐平稳，不会 “一缩到底”。图f：2D 广角 X 射线衍射（WAXS）图案。g：多次浸泡 - 干燥后的重量变化。h：透光率曲线（左）和实物图（右）。i-j：拉伸性（左）和 conformal 包裹（右）。

图 2 凝胶的超收缩表征。a：和传统水凝胶的对比实验。b：6 次拉伸 - 修复循环的应力 - 应变曲线。c：SEM 电镜图（上：表面，下：截面）。d：收缩率与拉伸率的关系。e：和其他收缩材料的湿度稳定性对比。f：不同湿度下的收缩率。g：贴合猪肉的实物图。h：贴皮肤的测试。i-j：伤口闭合实验。图 2i 是贴在人皮肤上，遇水收缩后让皮肤位移达 25%；图 2j 是在猪皮伤口上的测试：滴加溶剂后，80 秒内伤口就明显闭合（右），k 的轨迹图则记录了伤口尺寸的变化。

图3凝胶的自愈性能表征。a：保水性曲线。b：修复状态对比。脱水水凝胶泡纯水（左）20 分钟后仍有些干硬，泡二元溶剂（右）则完全恢复柔软。c：重量恢复曲线。泡二元溶剂的水凝胶重量恢复更慢但更稳定，因为甘油会和水竞争结合位点，避免水分快速流失。d：多次干燥-修复的应力-应变曲线。e：6 次失水-修复循环的性能变化。f：1、3、5 次修复后的应力-应变曲线。g：加载-卸载滞后曲线。随着应变增加，滞后环变大，说明水凝胶能吸收能量，且多次修复后滞后环形状一致。h：传感稳定性对比。

图4凝胶的生物兼容性表征。a：细胞毒性测试（活 / 死染色）。b：CCK-8 细胞活力定量。c：小鼠皮下植入示意图（左）和手术图（右）。d：H&E 染色（上）和 Masson 三色染色（下）。e-f：CD68 免疫荧光染色。CD68 是巨噬细胞标志物（红色），植入组的红色荧光强度和对照组接近（图 4f），说明巨噬细胞很少聚集 —— 进一步证明水凝胶不会引发强烈免疫反应。

图5凝胶的应用。a：体表 ECG 监测 setup。b：多次修复后的 ECG 信号。c：应变传感灵敏度曲线（gauge factor，GF）。d：心外膜 ECG 监测 setup。e：不同心脏状态的 ECG 信号。f: 肌腱植入 setup。水凝胶贴在小鼠跟腱上，用缝线固定（右），连接导线记录信号（左）—— 用于运动功能监测。g：肌腱运动传感信号。h：15 天植入后的传感稳定性。3 天、6 天、9 天、12 天、15 天的信号几乎重合，没有衰减 —— 证明水凝胶在体内长期使用仍稳定，可用于肌腱修复的长期监测。

  综上所述，该工作成功开发出集水响应收缩性、可修复性、生物相容性、透明性与导电性于一体的PEG-α-CD/PEO/PVA/IL/G 水凝胶，解决了传统材料多性能难以兼顾的问题；该水凝胶在体表生理信号监测、体内器官运动与病理信号监测中表现优异，为健康管理、临床诊断、组织工程领域的下一代智能生物电子设备提供了创新范式与技术支撑。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202522718s

作者介绍

王鹏：济南大学机械工程学院教师，硕士生导师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，累计以第一作者/通讯作者发表论文42篇（包括23篇中科院一区Top期刊，2篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors等高水平期刊；累计撰写、申请发明专利17项，其中6项已授权，其余均在实质审查中；担任Exploration期刊青年编委；中国微米纳米学会高级会员；受邀担任国际SCI检索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等的审稿人；连续两年获得2021年、2022年博士研究生国家奖学金，2022年获得天津市创新奖学金，2023年获得河北省优秀毕业生，2018年获得天津市王克昌文化科技奖学金，2024年获得河北工业大学优秀博士论文，2022年获得河北工业大学学术之星，2022年获得河北工业大学三好学生荣誉称号，连续两年获得2021年、2022年河北工业大学机械工程学院十佳学术之星荣誉称号。个人主页：

https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

李卓：复旦大学材料科学系青年研究员、博士生导师，她的研究兴趣为高分子复合材料在电子封装和柔性电子领域的应用。2007年本科毕业于同济大学，2009年和2014年分别在美国弗吉尼亚理工大学和佐治亚理工学院获得硕士和博士学位。毕业后先后在美国塞拉尼斯公司和中石油休斯敦技术研究中心开展高分子材料研发工作，并于2016年9月加入复旦大学。回国后先后入选国家海外高层次引进人才青年项目、上海市浦江人才计划、上海市青年启明星科技计划等多个人才项目。在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater.等期刊共发表论文40余篇，引用2000余次。她是IEEE ECTC和IEEE ICEPT 两个国际会议的技术委员会委员，以及IEEE 女性工程师协会上海分会的副主席，并获得2020年度IEEE 电子封装协会杰出青年工程师奖。

孟垂舟：浙江理工大学材料科学与工程学院特聘教授，博士生导师。国家海外高层次人才引进计划青年特聘专家、河北省海外高层次青年人才、河北省侨联侨界专家委员会委员。清华大学物理学学士、博士学位，曾任职美国普渡大学生物医学工程系博士后研究员、美国IBM半导体研发中心高级工程师、新奥集团能源研究院石墨烯/储能/能源新材料等技术中心主任。长期从事新型纳米材料和高分子弹性体的制备研究，以及其在能源转换与存储、生物医学传感、柔性电子皮肤、可穿戴健康设备、和健康护理装备上的应用开发。

张争艳：河北工业大学教授、博士生导师、元光学者，获人社部高层次人才资助、河北省第三批青年拔尖人才、河北省“三三三人次工程”人才、天津市原131创新型人才、天津市优秀科技特派员，第十二届校优秀教师、校优秀教学团队带头人。获河北省2023年度科技进步二等奖（第一）、河北省第七届教学成果二等奖，主持国家基金、科技部重点研发计划子课题等国家级项目4项、省部级项目6项、企业委托课题5项，发表SCI高水平论文20余篇，授权发明专利10余项。任河北省增材制造学会常务理事、全国高校机械制造教学研究会常务理事、全国高等学校制造自动化研究会理事、中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员、《天津科技大学学报》编委、《Additive Manufacturing Frontiers 》期刊青年编委、《机械设计》期刊青年编委。