适用于多种生物体的强效生物传感水下即时粘附水凝胶界面

适用于多种生物体的强效生物传感水下即时粘附水凝胶界面

水凝胶辅助型软生物传感器已成为两栖环境中多模态生理监测领域的革命性平台。然而，开发适用于长期连续多生理参数生物电子学监测的即时水下粘附材料、可规模化制备工艺以及稳健的界面结构仍面临诸多挑战。本文提出了一种通用且简便的制备策略，通过分子缠结工程克服这些局限，成功制备出具有即时水下粘附性能的水凝胶界面——该界面在10秒内即可展现出超过230J·m⁻²的快速、高强度界面韧性。此外，还建立了适用于实际应用的卷对卷可规模化制备流程。这种水凝胶界面具备约10⁹kPa的组织级柔软度，可实现从水生生物到两栖物种乃至人类表皮等多种界面间的无缝集成，满足重复使用与长期监测需求，同时支持同步采集多参数生理信号并追踪生物行为。这些研究成果构建了基于分子缠结工程的新型即时粘附水凝胶界面设计框架，为医疗健康监测和野生动物保护领域提供了可靠且响应迅速的生物传感技术解决方案。

文章核心创新点：

1.提出分子缠结工程制备策略，为水下粘附水凝胶提供了普适性设计准则；

2.实现10秒内超230J·m⁻²的界面韧性，达成超快与高强水下粘附的协同；

3.建立R2R连续制备工艺，完成实验室技术向工业化量产的跨越；

4.实现10⁹Pa量级的组织匹配力学性能，支撑多复杂曲面的跨界面无缝集成；

5.构建可复用长期监测体系，实现多模态生理信号与生物行为的同步采集；

6.形成覆盖医疗健康与野生动物保护的跨领域技术框架，为软生物传感的实用化推广提供全新范式。

研究背景

柔性电子技术的飞速发展彻底革新了传统生物传感技术，催生了多元化应用场景，涵盖可穿戴健康监测与生命体群体传感监测等领域。柔性生物电子器件可在水下运动、水下救援、水疗康复等涉水活动中，实现人体生理信号的实时监测，具备显著应用优势。此外，随着人类对水下世界的探索不断深入，新一代水下生物传感技术需实现海洋生物无创追踪，获取生物体行为与生理参数，以此解析生态系统动态变化、破译生物迁徙规律，并优化人类水下运动机制。同时，户外水下运动监测、大规模水生生物群体监测等场景，均要求生物传感器能够快速、稳定布设，以缩短作业时长、提升监测效率。

水生环境中器件–组织界面粘附强度不足、响应滞后的核心机制可归结为两点：其一，界面分子相互作用减弱，大幅降低了界面层的耐水冲刷侵蚀能力；其二，输水通道结构设计不完善，延缓了水凝胶溶胀动力学过程，阻碍快速粘附界面的形成。目前学界已提出三大核心优化策略以攻克上述难题，分别为界面改性、纳米复合增强与物理结构工程化调控。其中，仿生界面改性策略取得了尤为突出的研究进展。

在纳米复合增强策略方面，将聚左旋乳酸二维纳米片掺杂至海藻酸钙水凝胶中，可显著提升粘附水凝胶的界面结合强度与力学性能，实现10分钟内有效粘附。现阶段，物理结构工程化调控已成为优化水下粘附性能的前沿技术。有研究利用20千赫兹超声换能器，通过空化效应诱导微气泡生成，触发聚N-异丙基丙烯酰胺/海藻酸钠水凝胶在组织表面快速凝胶化；微气泡可驱动聚合物链渗入组织微观结构，形成高强度机械缠结，强化水凝胶粘附效果，可在1分钟内实现约100焦耳每平方米的粘附能。

本研究提出分子缠结工程策略，构建可适配多生物体系的水下瞬时粘附水凝胶界面，实现高稳定性生物传感。研究将超高分子量聚环氧乙烷与传统聚丙烯酰胺复合，利用聚环氧乙烷丰富的分子链缠结特性，优化复合水凝胶内部输水通道结构，显著提升溶胀动力学速率，实现瞬时粘附。

此外，该水凝胶可对水生、两栖生物实现快速、稳定的界面粘附，搭载传感器后可实现野外跨物种水下行为精准追踪。本研究构建的瞬时粘附水凝胶平台，可广泛应用于水上运动医学、应急救援、海洋生物研究等各类水生场景，为水下生物传感技术的迭代升级提供全新思路。

结果解析

即时粘合界面用PAMP水凝胶的设计与作用机制

PAMP水凝胶的肿胀行为追踪与界面粘附调控

用于游泳活动监测的瞬时粘附型PAMP水凝胶界面

用于现场跨物种行为检测的瞬时粘附性PAMP水凝胶界面

研究结论

本研究借助分子缠结工程开辟了生物粘附技术全新设计思路，提出一种普适性制备策略，用以构筑水下瞬时粘附水凝胶界面。该界面兼具优异的界面韧性（＞230J・m⁻²）、类软组织柔顺特性（109kPa），并且支持卷对卷规模化制备。依托聚合物缠结工程构建的PAMP水凝胶，突破了水生生物传感领域的底层瓶颈，实现10秒级粘附动力学响应，能够与多模态传感贴片、生物传感器无缝集成，同步实现人体健康监测与水生生物追踪。本研究攻克了湿粘附水凝胶长期存在的多项难题：粘附响应时间漫长、潮湿环境下器件–皮肤界面粘附力不足、难以规模化生产。上述研究进展为水上运动医学、野生动物保护、应急救援场景下的新一代生物界面确立了新标杆，同时为极端环境自适应水凝胶材料提供一套可推广的分子设计范式。

技术来源：https://doi.org/10.1002/advs.202510702