水凝胶是一种柔软湿润的聚合物材料，在柔性传感和生物电子学领域受到广泛关注。受生物结构启发，本研究开发了具有取向结构的明胶基各向异性水凝胶（GBAH），用于柔性传感和生物电极应用。通过结合机械拉伸与霍夫迈斯特（Hofmeister）效应，水凝胶展现出优异的性能提升，包括拉伸强度、循环稳定性及沿平行方向（GBAH_//）的导电性，相较于各向同性结构及垂直方向（GBAH_⊥）的结构，其性能同时得到优化。GBAH_//在柔性传感中对关节弯曲、肌肉运动及摩斯电码等复杂动作的检测中，展现出最高的灵敏度与耐久性。作为生物电极，GBAH实现了低阻抗和高信号保真度，在记录心电（ECG）、肌电（EMG）和脑电（EEG）信号时，其信噪比和振幅均优于各向同性水凝胶和商业Ag/AgCl电极。这些结果表明 GBAH 已成为一种多功能材料，可实现人体与生理设备的通信，为柔性传感器、生物电极和可穿戴人机界面提供可靠的解决方案。

• 力诱导取向 + Hofmeister效应：通过机械预拉伸（75%伸长率）结合柠檬酸钠（Na₃Cit）溶液浸泡，使明胶分子链定向排列形成有序结构。

• 生物结构模拟：利用明胶模拟生物组织中胶原纤维的取向排布，实现与人体组织的结构相容性。

• 低成本快速制备：仅需3小时浸泡固定（传统方法需复杂场控或冷冻干燥），适合大规模生产。

图1. 明胶基各向异性水凝胶（GBAH）的设计、制备和应用的示意图。(a) 具有定向结构的GBAH的制造示意图。(b) GBAH的特性示意图，包括定向结构带来的性能提升、多功能传感中的耐用性增强以及对人体生理信号监测的高分辨率。

图2. 明胶基水凝胶的形成与性质。(a) 明胶基水凝胶预强化示意图。G₁₀O₀、G₁₀O_0.5、G₁₀O_0.8、G₁₀O₁、G₁₀O_1.2 和 G₁₀O_1.5 （“G”表示明胶，“O”表示ODex，即氧化葡聚糖）的力学性能，(b) 应力-应变曲线，以及 (c) 模量和韧性。(d) G₁₀O₀ 和 (e) G₁₀O₁ 的横截面 SEM 图像，比例尺为 100 μm。(f) 展示 G₁₀O₀ 和 G₁₀O₁ 伸展性的照片。(g) G₁₀O₁ 在拉伸和释放循环下的照片。

图3. 预拉伸和柠檬酸钠浓度对GBAH各向异性和力学性能的影响。(a) 经0%、10%、15%和20%质量分数的Na₃Cit溶液处理的GBAH-CHG（其中“CHG”的“C”表示Na₃Cit，“H”表示水，“G”表示甘油）的归一化收缩值，预拉伸比固定为75%。(b) G₁₀O₁和各向同性-CH/-CHG/-HG的FT-IR光谱（1800–600 cm⁻¹）。(c) 各向同性（各向同性-CH/-CHG/-HG）与各向异性（GBAH-CH/-CHG/-HG）样品在1600–1300 cm⁻¹波数范围内的FT-IR光谱对比。(d) GBAH-CH在冷冻干燥（−50 ℃，2天）后的偏光显微镜图像，显示定向结构产生的干涉色，比例尺，200 μm。(e) GBAH-CH的横截面SEM图像（取向方向与横截面平行），比例尺，5 μm。(f) GBAH在不同预拉伸比（25–100%）或Na₃Cit浓度（0–20 wt%）下的模量比。(g) GBAH_//和GBAH_⊥在100%预拉伸比下的应力-应变曲线，与各向同性水凝胶比较。(h) 在不同预拉伸比下，GBAH_//和GBAH_⊥的模量和韧性与各向同性水凝胶的比较。(i) GBAH_//、各向同性水凝胶和GBAH_⊥在Na₃Cit溶液（0–20 wt%）中浸泡后的拉伸强度和断裂伸长率，以及(j) 模量和韧性。

图4. GBAH的滞后特性与流变剪切特性。GBAH_//在不同最大应变下的能量耗散性能，(a) 循环拉伸应力-应变曲线，(b) 对应的能量耗散量及能量耗散系数。(c) 在固定预拉伸比下，GBAH_//在不同浓度Na₃Cit溶液（0–20 wt%）中浸泡后，单次加载-卸载循环下的能量耗散系数。(d) GBAH_//在拉伸过程中不同相互作用逐步破坏的示意图。(e) GBAH-CHG在振荡剪切测试（25 ℃，1 Hz，应变范围 1%–160%）下的储存模量、损耗模量和 tan δ。GBAH_//在100% 应变下进行50个循环时的能量耗散性能，(f) 循环拉伸应力-应变曲线，以及 (g) 相应的能量耗散和能量耗散系数。(h) GBAH_//、各向同性及GBAH_⊥水凝胶在100%应变下循环50次时第50次循环与第2次循环之间的能量耗散及系数相对差异（上），以及在50%应变下循环100次时第100次循环与第2次循环之间的相对差异（下）。

图5. GBAH水凝胶在动态应变下的干涉色。 (a) 示意图展示了拉伸水凝胶、两个正交偏振片、光源和摄像头之间的空间几何关系。光学照片展示了拉伸过程中 (b) GBAH_//、(c) 各向同性水凝胶和 (d) GBAH_⊥的干涉色。

图6. GBAH水凝胶的各向异性电化学性能。(a) G₁₀O₁、各向同性、GBAH_//和GBAH_⊥水凝胶的电导率。(b) GBAH基团电导率测试中所用样品池的示意图。(c) GBAH中可导电离子的传输路径示意图。GBAH_//、 各向同性水凝胶和GBAH_⊥传感器的ΔR/R₀曲线：(d) 2%、5%、10%的小应变循环，(e) 20%、50%和100%的大应变循环，(f) 2%、5%、10%、20%、50%和100%的应变步进。(g) GBAH_//、各向同性水凝胶和GBAH_⊥传感器在不同应变下的应变系数。(h) GBAH_//水凝胶传感器的传感响应曲线和变形。(i) 展示GBAH_//、各向同性和GBAH_⊥水凝胶传感器在50%应变下400个循环期间的ΔR/R₀曲线。(j) GBAH_//水凝胶传感器在50%应变下400个循环期间的ΔR/R₀曲线的详细曲线。

图7. GBAH柔性水凝胶传感器在表皮传感中的应用。(a) 将GBAH_//传感器固定在手腕上，在不同角度（15°至75°）弯曲时，重复五次测得的ΔR/R0值。(b) 将GBAH_//传感器固定在手指上，以不同速度敲击摩斯电码“GELATIN”时测得的ΔR/R₀值。(c) GBAH_//传感器贴附于面颊时，重复四次朗读单词“apple, banana, orange, grape, tomato, 和 lemon”时的ΔR/R₀变化。（d) GBAH_//、各向同性水凝胶和GBAH_⊥传感器贴附于喉咙部位时，对应的ΔR/R₀曲线，以及通过智能手机录制的语音波形图。(e) 喉咙部位附着的GBAH_//传感器在两种不同语句中的ΔR/R₀曲线。(f) 水凝胶应变传感器制备的示意图。

图8. GBAH界面的电化学阻抗特性。(a) 采用双电极系统对水凝胶进行电化学阻抗谱（EIS）测试的示意图。GBAH和各向同性水凝胶的EIS，(b) Nyquist图和(c) Bode图。(d) 采用三电极系统对制备的界面进行EIS测试的示意图，包括等效电路和实验装置。GBAH、各向同性水凝胶界面及Ag/AgCl电极的EIS，(e) Nyquist图和(f)串联电阻曲线。

图9. GBAH接口的生物电信号记录能力。(a) 十个连续心脏周期的ECG信号，(b) 单个心脏周期的ECG信号，以及(c) 通过GBAH、各向同性水凝胶接口和Ag/AgCl电极采集的ECG信号的信噪比（SNR）。(d) 通过GBAH采集的前臂肌肉握持10/20/30磅重量的球体时的EMG信号及其对应的时间衰减积分曲线。(e) 通过GBAH、各向同性水凝胶和Ag/AgCl界面采集的EMG信号强度计算值。(f) 通过GBAH采集的EEG波形及时间-频率谱图，对应三种脑活动模式：放松模式（Mode I）、想象模式（Mode II）和游戏模式（Mode III）。(g) 通过GBAH获取的模式I至III的EEG信号功率分布（0–45 Hz带宽），通过快速傅里叶变换（F.F.T）计算。

本研究采用力诱导取向与Hofmeister效应相结合的方法，开发了具有光学、力学和电化学各向异性的GBAH水凝胶。制备的GBAH水凝胶展现出卓越的性能，包括212%的断裂伸长率、2.29 MPa的抗拉强度、1.53 MJ m⁻³的韧性、1.51的GF值、0.03 s的快速响应时间，以及在400次循环后仍能稳定输出信号。GBAH_//传感器可以可靠检测人体运动，展现出精准的信号输出、耐用性和适用于柔性传感、机器人控制及生物电信号传输等应用的适用性。此外，与各向同性水凝胶和Ag/AgCl电极相比，GBAH展现出最高的ECG R波幅度（1.754 mV）、最佳的信噪比（SNR，23.86）以及更优的EMG和EEG信号保真度，展现出在电生理监测、健康监测及人机通信中的应用潜力。本研究提供了一种简便的方法，可有效制备多功能界面材料，为可穿戴电子设备、柔性传感器及人机界面提供成本效益高的解决方案。

免责声明：原创仅代表原创编译，水平有限，仅供学术交流，如有侵权，请联系删除，文献解读如有疏漏之处，我们深表歉意。欢迎专家学者推荐稿件，微信联系小编（ID:BrainX007）。