生物体内肌肉运动和神经活动所产生微弱的电流被称为生物电流。对生物电流的实时监测在健康评估和运动管理中得到了广泛应用。例如，心电图（ECG）可以记录每个心跳周期产生的电信号，从而提醒人们在心脏病发作前采取预防措施。随着人类对海洋的不断探索，海洋与人类的关系越来越密切，心脏病已经成为潜水员和其他水下工作者的重要死因。近年来，尽管基于不同材料的柔性电极已经被开发出来，并用于记录人体运动时的心电信号，但是它们的应用环境通常仅限于空气中。将柔性电极的应用环境拓展到水下仍具有挑战性，主要是因为柔性电极在水下会失去其功能。例如，为了获得稳定、可靠的电信号，柔性电极必须能牢固地粘附在人体皮肤表面。然而，对于柔性电极来说，实现强大的水下粘附仍然是一个挑战，这是因为在水下水分子会在粘附剂和基材表面形成一层水合层，大大降低了粘附强度。尽管近年来已经开发了一些基于有机凝胶的水下电子器件，但由于亲水基团的存在，它们在水环境中存在溶胀、有机溶剂泄漏等问题。
武培怡教授课题组于振川博士利用疏水性聚合物将凝胶的应用范围拓展到水下环境中(Adv. Mater. 2021, 2008479, Mater. Horiz., 2021,8, 2057-2064)。近日，于振川博士通过在特定离子液体中聚合离子液体单体的方式，设计了一种高性能的离子凝胶，并将其用于水下心电信号的检测。与之前的工作相比，该离子凝胶透明性优异，且具有更加广泛可调的力学性能，杨氏模量可以从0.22 MPa调节到337 MPa，断裂应变可以从349%调节到>10000%。离子凝胶内部疏水性聚合物骨架赋予了其在水环境中优异的稳定性，并且能够在水下表现出良好的自修复性，以及对生物组织的粘附性。在水下环境中，离子电极能够与皮肤紧密结合，并且离子凝胶内部游离的离子基团赋予了其离子导电性，使离子凝胶能够检测和传递生理电信号。同时该离子凝胶表现出良好的生物相容性，在2天内没有观察到对皮肤的刺激。相比于商业凝胶电极，该离子凝胶电极可用于在水中收集稳定可靠的心电信号。需要强调的是，使用离子凝胶电极在水下测到的心电信号强度与在空气中测到的几乎一样， 可以用与游泳运动员（或潜水员）的实时心电信号跟踪和比较。
图1. 离子凝胶的力学性能、导电性和自修复性能。
图2. 离子凝胶的粘附性能和生物相容性。
图3. 离子凝胶的传感性能。
图4. 离子凝胶的水下心电监测能力。
以上研究成果近期以“Water-Resistant Ionogel Electrode with Tailorable Mechanical Properties for Aquatic Ambulatory Physiological Signal Monitoring”为题，发表在《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202107226）上。于振川博士为文章第一作者，通讯作者为东华大学武培怡教授。该课题得到了国家自然科学基金重点项目(51973035, 51733003)等项目的资助与支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107226
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