随着可穿戴电生理监测技术的迅猛发展，柔性导电材料尤其是水凝胶因其优异的力学性能、高导电性和生物相容性而备受关注。然而，传统水凝胶材料在低温环境下易发生冻结失效，且预制的凝胶电极往往存在柔韧性不足和长期稳定性差等问题，严重制约了其实际应用。针对这些挑战，本研究开发了一种基于水凝胶的皮肤可打印表皮生物电极，专为连续、高精度无线电生理监测设计。该水凝胶采用明胶、甘油、氯化铵和水的复合体系，通过高效一锅法合成，其独特的可逆热相变特性使其能够精准适配人类光滑或毛发皮肤的表面打印需求。

     实验表明，原位形成的GGW-NH4Cl凝胶电极在凝胶/皮肤界面和凝胶/电极界面分别表现出0.9 N/cm和2.6 N/cm的强粘附力。通过引入甘油和氯化铵，水凝胶在−80℃至43.9℃的极端温度范围内仍能保持卓越的机械柔韧性，甚至浸没于液氮时仍维持光学透明性。此外，该材料兼具自愈合能力、高水分保持率和可回收性等综合优势。在实际验证中，通过80分钟高保真心电图监测，成功记录了人体日常活动中的电生理信号，充分证明了其在个性化医疗领域的应用潜力。

     这项研究不仅解决了传统水凝胶在低温环境和长期使用中的局限性，更展现了可打印水凝胶作为下一代表皮电子材料的广阔前景。其多功能性和实用性为柔性电子器件的发展提供了新的技术路径，标志着生物电子接口技术向更高精度、更强环境适应性的方向迈出了关键一步。

• 皮肤原位打印与高粘附性：热响应相变特性（溶胶-凝胶转变温度43.9℃）实现液态喷涂，44秒内固化成膜，完美贴合皮肤，且具超强界面粘附性：皮肤/水凝胶界面剥离强度为0.9 N/cm（商业凝胶仅0.2 N/cm），电极/水凝胶界面为2.6 N/cm。

• 极端温度适应性：甘油与NH₄Cl协同降低水分子冰点，通过氢键抑制冰晶形成，GGW-NH₄Cl水凝胶在液氮环境下仍保持透明性与柔性，-80℃时拉伸强度达172kPa，突破传统水凝胶低温脆化限制。

• 可回收性：循环利用后仍保持85%拉伸性能，减少电子废弃物。

图1. 可皮肤打印的GGW-NH₄Cl水凝胶生物电极用于连续电生理监测。 (A) 可皮肤打印水凝胶用于无线监测脑电（EEG）、眼电（EOG）、心电（ECG）和肌电（EMG）的示意图。(B) GGW-NH₄Cl水凝胶在高温和室温下的照片和红外热成像图，显示其在高温下从流体状态转变为低温下的固体状凝胶状态；比例尺：5mm。(C) 分子交联的示意图，展示了GGW-NH₄Cl水凝胶在流体状态和粘弹性状态之间的结构转变。(D) 原位凝胶化后（t = 44 s）GGW-NH₄Cl水凝胶的高皮肤粘附性照片。比例尺：5 mm。(E) 脱离下来的水凝胶的显微镜视图，显示出明显的皮肤纹理；比例尺：500 μm。 (F) 照片显示Ag/AgCl电极附着于GGW-NH₄Cl水凝胶，突出其优异的粘附性；比例尺：5 mm。 (G) 照片展示GGW-NH₄Cl水凝胶在人体皮肤上的精细可打印性；比例尺：5 mm。

图2. GGW-NH₄Cl水凝胶的结构、电学、力学、流变学和粘附特性。 (A) GGW-NH₄Cl水凝胶的截面SEM图像；比例尺：500 μm。 (B) 不同离子水凝胶的阻抗谱。 (C) 不同NH₄Cl含量水凝胶的应力-应变曲线。(D) GW水凝胶和GGW-NH₄Cl水凝胶的FTIR光谱。(E) 根据图S5A计算的对应 tan δ (G″/G′) 值。 (F) 通过振荡时间扫描实验获得的GGW-NH₄Cl水凝胶随时间的凝胶化过程，交点指示凝胶化时间为44秒。 (G) GGW-NH₄Cl水凝胶在不同基底上的粘附性能；比例尺：2 cm。 (H) GGW-NH₄Cl水凝胶和商业凝胶在Ag/AgCl电极上的界面粘附力，通过90°剥离过程测得。 (I) GGW-NH₄Cl水凝胶和商业凝胶在人体皮肤上的界面粘附力，通过90°剥离过程测得。

图3. GGW-NH₄Cl水凝胶的抗冻、自愈合、保水和可回收性能。(A) GGW-NH₄Cl水凝胶与GW水凝胶在25 ℃和−196 ℃下的抗冻性能视觉对比；刻度尺：1 cm。 (B) GGW-NH₄Cl水凝胶与GW水凝胶的差示扫描量热图。(C) GGW-NH₄Cl水凝胶在25 ℃和−80 ℃下的应力-应变曲线。 (D) GGW-NH₄Cl水凝胶与商业粘合剂在25 ℃和−80 ℃下的阻抗谱比较。(E) GGW-NH₄Cl水凝胶在温和热刺激下的宏观自愈合行为。两块切片在37 ℃下1小时后重新连接；比例尺：1厘米。(F) 原始的和自愈合后GGW-NH₄Cl水凝胶的应力-应变曲线。(G) GGW-NH₄Cl水凝胶在温度和湿度控制的恒温恒湿箱中（25 ℃和50%相对湿度）储存5天后的水分保留率。 (H) 原始和回收的GGW-NH₄Cl水凝胶的应力-应变曲线。 (I) 商业凝胶和GGW-NH₄Cl水凝胶的皮肤接触阻抗谱。

图4. 采用GGW-NH₄Cl水凝胶生物电极进行的无线连续电生理监测。（A）EOG、EMG、EEG和ECG信号测量电极位置示意图。N和R分别代表地电极和参考电极。(B) 使用商业凝胶（顶部）和GGW-NH₄Cl水凝胶（底部）记录的EOG信号以及相应的信噪比（SNR）。(C) 使用商业凝胶（顶部）和GGW-NH₄Cl水凝胶（底部）记录的EMG信号以及相应的SNR。(D) 商业凝胶与GGW-NH₄Cl凝胶记录的EMG信号SNR的箱线图比较。(E) 使用商业凝胶（上）和GGW-NH₄Cl水凝胶（下）在睁眼和闭眼状态下记录的EEG信号。(F) 对(E)中EEG信号的频谱分析，突出显示闭眼状态下明显的α节律。(G) 使用GGW-NH₄Cl水凝胶进行80分钟骑行、工作和行走活动期间的连续无线ECG信号监测，显示原始ECG数据（上）和心率（HR）及SDNN（下）。

该研究开发出具有热响应特性的可皮肤直接打印凝胶生物电极，为连续无线电生理监测提供了创新解决方案。研究人员采用明胶、甘油、水和氯化铵通过一锅法工艺制备的水凝胶材料，凭借其独特的可逆快速溶胶-凝胶转变特性，实现了在人体皮肤表面的直接精确打印。该材料在凝胶化后表现出卓越的双界面粘附性能，其水凝胶/皮肤界面粘附力达到0.9 N/cm，而水凝胶/电极界面粘附力更高达2.6 N/cm。特别值得注意的是，通过甘油与氯化铵的协同作用，水凝胶展现出惊人的环境适应性——在-80℃至相变温度43.9℃的极端温度范围内保持机械柔韧性，甚至在液氮环境中仍能维持光学透明状态。此外，该材料还具备温度诱导自愈合能力、优异的水分保持特性以及可循环利用等优势，这些特性共同确保了其在可穿戴电子设备中的长期稳定性和可持续性。在实际应用测试中，研究人员成功进行了持续80分钟的高质量心电图监测，验证了该技术在日常生活环境下实现连续心脏功能监测的可靠性。这项技术不仅有效克服了传统水凝胶电极在机械性能和环境稳定性方面的局限，更重要的是为个性化医疗提供了精准的按需电生理数据采集方案GGW-NH4Cl水凝胶凭借其及时精确的生理信号监测能力，在改善疾病诊断和治疗效果方面展现出巨大潜力，堪称新一代多功能表皮电子材料和先进可穿戴医疗设备的代表性突破。

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