【研究摘要】

    可穿戴表皮电子器件，是由导电水凝胶制成的，它们能与人体紧密结合，所以特别适用于健康监测、医疗诊断和人机交互等领域。尽管有这些好处，但我们还是面临一些挑战。比如，如何让这些设备既能牢牢贴在皮肤上，又能防止紫外线伤害，同时还能准确监测生理信号呢？并且，如果它们还能在医疗治疗后提供抗菌和止血功能，那就更好了。

    为了解决这些问题，北京化工大学的万鹏博教授与张立群院士团队设计了一种新型的生物胶水凝胶表皮传感器。这种传感器是用导电MXene纳米片和生物水凝胶聚合物结合制成的。它可以稳稳地贴在皮肤上，记录各种生理信号，信号质量非常高，干扰很小。这样，它就能用于智能医疗诊断和人机界面。

    更厉害的是，团队成员还基于这种传感器设计了一个智能手语手势识别平台。这个平台能利用机器学习算法，与听障人士进行无障碍交流。

    而且，这种生物胶水凝胶还具有抗菌、生物相容和止血的功能，对处理细菌感染和伤口出血也很有帮助。总的来说，这种新型表皮传感器不仅功能多样，而且实用性强，有望在未来医疗领域发挥重要作用。

    研究结果以《Flexible Conformally Bioadhesive MXene Hydrogel Electronicsfor Machine Learning-Facilitated Human-Interactive Sensing》为题，发表在世界知名期刊Advanced Matierials上。

    【研究背景】

    导电性水凝胶因其独特的柔软性、良好的生物相容性、类似生物组织的三维结构，以及可调节的导电性，在可穿戴设备、医疗监测、脑机接口和智能医疗等方面备受关注。同时，导电水凝胶制成的表皮传感器能将外界刺激转化为电信号，这在智能电子皮肤、医学诊断和人机交互等领域非常有用。然而，目前大多数的导电水凝胶表皮传感器存在一些问题，比如电阻大、导电性差，以及与皮肤接触不紧密，导致传感效果受限。这些问题大大影响了它们在心电图、肌电图和脑电图等超灵敏表皮电生理信号监测中的应用，尤其是在运动康复和疾病诊断方面。近年来，有一种叫MXene的二维导电纳米材料在很多领域都得到了广泛应用。它导电性极好，表面有很多亲水性的官能团，还有很大的表面积，所以很适合用来制作水凝胶的纳米复合材料。这样的复合材料作为表皮传感器，导电性好，电阻小，传感性能优越，可以用于个人健康管理、无创疾病诊断和智能人机交互等方面。因此，如果能开发出基于MXene水凝胶的表皮传感器，那么它不仅能灵敏地监测人体大的运动信号，还能捕捉到细微的表皮电生理信号。这将为运动康复和心脏、肌肉、大脑功能相关疾病的诊断提供新的可能性。

    目前，导电水凝胶表皮传感器普遍存在运动伪影干扰，导致信号质量较低，出现故障信号，这主要是由于表皮传感器与人体皮肤曲线表面的界面不一致，粘附性差，与人体皮肤接触不可靠所致。另外，水凝胶做的传感器还很容易受到损坏，这会让它们的使用寿命变短，功能也不能持久。同时，我们还要考虑到紫外线这个因素。太阳发出的紫外线对我们的皮肤非常有害，可能导致皮肤损伤和老化。但是，很多现在用的水凝胶表皮传感器对紫外线的防护能力并不强，这就限制了它们在需要防护紫外线的环境中的使用。因此，我们需要研发一种新型的导电水凝胶表皮传感器。这种传感器需要能够紧紧地贴在我们的皮肤上，不会受到运动的干扰；而且，它还需要有自我修复的能力，即使受到一些损伤也能自己修复，这样它的使用寿命就会更长。最重要的是，它还需要有强大的紫外线防护功能，这样它就能在多种环境下安全地使用。这样的传感器不仅可以用于医疗诊断，还可以用于下一代智能电子皮肤，帮助我们更好地监测和管理健康。
 

    此外，报道中提到，目前的水凝胶表皮传感器虽然能监测人体运动和智能医疗诊断，但它们往往缺少治疗功能。而光热疗法因为无创伤、易控制、副作用小等优点，受到了广大研究者的关注。这种疗法通过可穿戴表皮传感器的光热效应，能在局部产生物理热疗效果，有助于改善血液循环、减轻关节僵硬和缓解疼痛，对于关节炎的治疗有很大潜力。但如何使这种疗法更有效地治疗关节炎，仍是一个挑战。MXene材料因其高效的光热转换效率和低细胞毒性，为表皮传感器提供了出色的光热性能和方便的加热操作。因此，开发一种集超灵敏智能健康传感和后续治疗功能于一体的多功能水凝胶表皮传感器，显得尤为吸引人。同时，我们也要关注到人体皮肤的重要性。它像一道屏障，保护我们免受外界环境的伤害。但皮肤柔软，容易受伤，一旦受伤，可能导致伤口出血，甚至威胁生命。因此，开发具有特殊抗菌和止血功能的多功能水凝胶表皮传感器，对于覆盖不规则形状的伤口、防止感染和控制出血具有重要意义。这种传感器凭借其良好的生物相容性、强大的生物粘附性能和可注射性，为伤口提供了有力的保护。

    【研究内容】

    在这里，研究人员向公众介绍了一种新的水凝胶制备方法，这种水凝胶是由MXene纳米片精细组装成的，我们称它为MXene/HA-PBA/TA水凝胶。这种水凝胶非常智能，可以应用于很多领域，比如监测人体健康、记录皮肤上的微小电信号、光热治疗以及止血等。具体地，研究人员用天然的多酚单宁酸（TA）和苯硼酸接枝透明质酸（HA-PBA）一起组成的网络来制作这种水凝胶的。这种水凝胶导电性很好，传感性能也很优秀。另外，它还具有强大的粘附能力，可以紧紧贴在各种有机和无机表面上，还有很好的防紫外线能力。这种水凝胶还可以被组装成多功能的传感器，用来检测人体各种运动和微小的皮肤电信号，比如肌电图、脑电图和心电图等。这对于运动康复训练以及肌肉、脑、心血管相关疾病的医学诊断非常有帮助。更厉害的是，结合人工智能和机器学习算法，这种传感器还可以实现基于肌电信号的手语手势识别，帮助听障人士更好地与人交流。同时，这种水凝胶还有出色的光热能力，可以在近红外光的照射下快速升温，实现及时的光热治疗。此外，这种水凝胶还具有很好的生物安全性、抗菌能力和溶血性能，所以也有望用于伤口包膜，防止感染和出血。

    总的来说，这项研究为人们提供了一个全新的、高质量的生物黏附水凝胶传感器的制造方法。这种传感器在医疗监测、机器学习辅助人机界面和智能医疗诊断等领域都有着巨大的潜力。

    【图文详解】

    (a)可粘合、可愈合和抗菌的MXene/HA-PBA/TA水凝胶的制备示意图，以及在(b)人体健康监测、(c)适形生物粘附、(d)个人紫外线防护、(e)光热治疗和(f)伤口止血方面的进一步应用前景。

    (a)手风琴状未剥离Ti3C2Tx的扫描电镜(SEM)图像。(b) MXene纳米片的SEM图像。(c) MXene纳米片的透射电镜(TEM)图像。(d)单宁酸(TA)和苯硼酸接枝透明质酸(HA-PBA)的分子结构。(e) MXene/HA-PBA/TA水凝胶的光学图像。(f) MXene/HA-PBA/TA水凝胶冻干后的SEM图像。

    MXene/HA-PBA/TA水凝胶的皮肤相容性和粘附性。(a) MXene/HA-PBA/TA水凝胶在猪挤压皮、光滑皮、毛皮和扭曲皮等不同皮肤上的粘附性。(b)猪皮与MXene/HA-PBA/TA水凝胶界面的SEM图像，无明显间隙。(c)猪皮与商业凝胶界面的SEM图像，有明显的间隙。(d) MXene/HA-PBA/TA水凝胶和商品凝胶在10次循环附着/分离事件下与猪皮肤的粘附强度。(e) MXene/HA-PBA/TA水凝胶分别对金属、玻璃和猪皮的可重复粘附行为。(f) MXene/HA-PBA/TA水凝胶与已报道的导电水凝胶的模量和粘附强度的比较。

    黏附多功能MXene/HA-PBA/TA水凝胶表皮传感器，用于监测电生理信号。(a)无线心电测量的设置示意图。(b)无线测得的心电信号。(c)长期监测12小时心电信号。(d)肌电检测设置示意图:(I)初始，(II)握拳后。(e)分别用MXene/HA-PBA/TA水凝胶电极和不含MXene的商用水凝胶电极((I)初始，(II)右握拳后)测量的肌电信号。(f)增大夹持力时的肌电信号。(g)脑电图信号监测示意图。(h) MXene/HA-PBA/TA水凝胶电极在睁眼/闭眼模式下记录的脑电图信号。(i)相应的频谱图显示闭眼状态下清晰的α节奏。
 

    基于收集的肌电信号的机器学习辅助手语手势识别。(a)感应动作对不同手语手势的肌电信号和(b)相应的肌电信号幅度。(c)基于卷积神经网络的机器学习算法框架，用于基于收集到的肌电信号的手语手势识别。(d) 100个epoch的学习精度和损失函数评价。(e)八种手语手势识别的混淆矩阵。

    基于肌电信号的智能无线汽车运动控制具有广阔的应用前景。(a)基于采集到的肌电信号的同步智能无线汽车控制系统示意图。(b)安装在志愿者手臂上的MXene/HA-PBA/TA传感器集成臂带对智能无线汽车运动的实时控制:(Ⅰ)智能汽车启动直行，(Ⅱ)智能汽车左转，(Ⅲ)智能汽车右转，(Ⅳ)智能汽车直行。

【团队介绍】

万鹏博，北京化工大学教授

    2002-2006，武汉大学，本科

    2006-2011，清华大学，博士(导师：张希 院士)

    2017-2018，哈佛大学，访问学者(合作导师：David A. Weitz 院士)

    长期从事可穿戴高分子复合材料与传感器件方面的研究工作，近年来在Matter、Adv. Mater.、Device、Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI论文70余篇，论文总被引近10000余次，ESI TOP1%高被引论文达13篇；授权国家发明专利3件。相关科研成果与进展被人民日报、科技部网站报道。曾主持国家自然科学基金青年、面上、优青、中石化、北京市自然科学基金等项目，曾承担国家重点研发计划项目任务、中央高水平医院临床成果转化项目任务等。广泛开展与哈佛大学、麻省理工学院、301医院、北京大学第三医院、中日友好医院等国内外科研机构的密切合作。

    张立群，1969年2月出生于内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县，中国工程院院士，中国化工学会会士，西安交通大学校长（副部长级）、党委副书记，中国化工学会副理事长，中国橡胶工业协会主席团主席，中国合成橡胶工业协会专家委员会主任委员、广东省科学技术协会副主席。
 

    1986年9月，张立群就读于北京化工大学高分子系橡塑工程专业本科；1990年9月，在北京化工大学高分子系材料成型加工专业攻读硕士研究生；1992年12月，在北京化工大学高分子系材料学专业攻读博士研究生；1995年9月，任北京化工大学讲师；1999年6月，在美国阿克伦大学聚合物科学系做访问学者；2000年6月，在美国凯斯西储大学高分子系从事博士后科研工作；2016年9月—2020年9月，任北京化工大学材料科学与工程学院院长；2020年5月，任北京化工大学党委常委、副校长；2022年8月，任华南理工大学校长、党委副书记。2024年3月任西安交通大学校长（副部长级）、党委副书记。

    张立群主要从事橡胶材料科学与工程、聚合物纳米复合材料、生物基高分子材料与聚合物加工工程方面的研究。