第一作者：张体凯
通讯作者：张程，强哲，任杰
通讯单位：同济大学，美国南密西西比大学，苏州科技大学
DOI: 10.1021/acssensors.5c01228
背景介绍
柔性电子产品作为先进个人健康管理系统的关键组成部分，凭借其在持续健康监测、定制化医疗及远程医疗中的多重优势，正发挥着日益重要的作用。特别是可穿戴与非侵入式柔性设备，能够捕捉人体机械、生理及电化学信号的多种变化，并将其转换为可识别的电信号，从而实现对佩戴者运动行为与生命体征的持续监测。柔性传感材料不仅提升了传感器的检测精度，还以其优异的机械性能、良好的柔韧性与适应性，有效监测人体的细微生理变化。在各种生物信息和生物标志物中，压力信号被广泛视为监测身体运动、行为以及心脏、血管等深层组织状态的关键信息来源。其应用有力推动了精准医疗、个体化诊断、生命体征监测及主动生物信息通信的发展。在可穿戴电子产品的制造过程中，确保其在严苛任务环境（如远足、骑行、潜水等户外活动）下的可靠性能尤为关键，这对设备的安全性与耐用性提出了更高要求。具体而言，用于户外生理与压力信号捕获的设备需具备长期防水性、热稳定性及耐溶剂性。同时，在与皮肤紧密接触时，设备不应引起刺激或细胞毒性，尤其是在可能伴有开放性伤口的户外场景中。
离子凝胶（IG）作为一种关键传感器材料，已被广泛应用于各类可穿戴与可植入设备、人造皮肤及软体机器人等领域。其高度可调的力学性能、优异的拉伸性、良好的生物相容性以及多样化的功能性，使 IG 在包括水下心电监测与运动行为分析在内的多个应用场景中展现出巨大潜力。然而，IG 在水下可穿戴设备中的应用仍面临诸多挑战。首先，IG 中高浓度的亲水基团在吸水后易导致传感器组件膨胀甚至溶解，可能破坏其交联结构，进而引起力学性能下降与传感灵活性降低。其次，当 IG 在水中膨胀时，导电组分可能通过界面不可逆地扩散至水中，造成电导率衰减与传感性能衰退。因此，提升 IG 的疏水性及水下稳定性是拓展其应用的关键。此外，蓝牙所采用的工业科学医疗频段（2.4–2.4835 GHz）易受水体屏蔽，导致水下通信深度通常局限于几十厘米，亟需开发如短频电磁波等有效的水下通信解决方案。
为应对水下实时通信、设备耐用性及高效 WSAR 等挑战，本研究提出了一种高性能疏水梯度 IG 压力传感器的制备策略。该系统采用荧光多臂交联剂，赋予传感器宽检测范围、超低检测限与高灵敏度，并可与柔性电路控制及供能系统集成，组装为可穿戴荧光手环。通过调控交联剂的臂数，可精确调控梯度 IG 的孔径结构，从而优化传感器的检测性能。此外，本研究系统评估了梯度离子凝胶的安全性及长期可靠性，特别关注了其作为可穿戴设备在与皮肤接触时可能引起的刺激性问题，并且构建了基于蓝牙与 433 MHz 远程无线电的双无线即时通信系统，可在空气与水下环境中实现无缝信息传输，并通过手机或计算机进行信息可视化。交联剂的荧光发射特性使电子手环在紫外线照射下被动发光，有助于在弱光环境下辅助搜救，提升 WSAR 行动效率。综上所述，该研究在基于 IG 的压力传感器开发方面取得了重要进展，为智能医疗与人工智能等多元应用场景奠定了技术基础。
本文亮点
1、本工作开发了一种无线、柔性、可穿戴手环，由基于t-IG的压力传感器和柔性PCB电子控制系统组成，可以实现多场景即时压力信号传输和各种户外活动的及时救援。
2、所获得的基于t-IG的压力传感器同时在超低压区域（<100 Pa）表现出490 kPa-1的高压灵敏度和1 Pa-8.7 MPa的超宽响应范围。
3、工作分别通过基于蓝牙和433 MHz LoRa通信模式的无线集成系统，实现了佩戴者在空气中和水下的无线通讯需求，并通过定制的应用程序采集压力信号，实现压力信号可视化。
图文解析
图 1. 基于梯度离子凝胶 (t-IG) 的可穿戴手环的三层示意图和图像。 (a) 手环在不同使用环境下的示意图。 (b) 无线通信示意图和用于实时压力监测的定制移动应用程序。 (c) 手镯的横截面图。印刷电路板 (PCB) 柔性电路控制系统的前视图 (d) 和后视图 (e)。 (f)具有梯度结构的柔性t-IG的合理设计。 (g) 手环的荧光图和照片。
图 2. 所制备的 IGs 的基本特征。 (a) 通过逐层凝胶法制备梯度t-IG。 (b) 三层 IGs 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 (c) 对 IGs 中的 N 元素进行 X 射线光电子能谱 (XPS) 分析。 (d) [VIm-X]TFSI 的结构和静电势分布。 (e) IGs 的有限元法 (FEM) 模拟。 (f) IGs 浸泡在水中后的疏水示意图。 (g) IGs 在水中浸泡 28 天之前和之后的水接触角 (WCA)。
图 3. 使用基于 t-IG 的表带进行安全性和长期有效性验证。 IG 的细胞活力 (a) 和溶血率 (b) 测试。 (c)皮内刺激实验示意图。 (d) t-IG 的刺激和皮肤致敏试验。 (e) t-IG 治疗兔术后 72 小时通过 H&E 染色对背部注射点进行代表性组织学分析。比例尺：100 μm。 t-IG在不同液体环境中浸泡28天的TGA曲线(f)和力学性能(g)变化。加速老化测试后 t-IG 的 TGA 曲线 (h) 和机械性能 (i)。 0.01 < *P ≤ 0.05、0.001 < **P ≤ 0.01、0.0001 < ***P ≤ 0.001、****P ≤ 0.0001、P ≤ 0.05 被认为具有统计显着性， ns表示无统计学意义。
图 4. 基于 t-IG 的压力传感器的传感性能和潜在应用。 (a)各种生理和运动信号的监测。 (b) 压缩过程中 t-IG 的电阻率和压力传感变化。 (c) 基于 t-IG 的压力传感器对 1 Pa 至 8 MPa 不同压力的电阻响应。 (d) 基于 t-IG 的压力传感器在不同应变和温度下的压缩-减压耐久性测试。 (e) 基于梯度 t-IG 的柔性传感器阵列的制造和分解图。 (f) 图表显示网球从不同高度落下，以及相应的压力峰值映射。
图 5. 智能无线实时通信可穿戴手环。 (a) 智能无线通信示意图。 (b) 手环主要部件的功能框图。 (c) 柔性PCB电路板上标注有蓝牙功能的主要元件。 (d) 在空气环境中使用的基于蓝牙的柔性PCB和佩戴在手腕上的智能手环的图像。手机按照摩尔斯电码的编码原理接收到的佩戴者的纬度（e）和经度（f）。上图是通过手机接收的数据，下图是计算数据。 (g) 在水下环境中使用的基于 433 MHz 的柔性 PCB 和戴在手腕上的手环的图像。(h) 计算机从佩戴者处接收到的求救信息。左边的图像是通过计算机接收的数据，右边的曲线是计算的数据。
图 6. 交联剂和制备的 IG 的荧光特性。紫外可见吸收光谱 (a)、荧光光谱 (b)、时间分辨荧光衰减 (c) 和荧光交联剂的激发发射矩阵光谱 (d)。 DFT 计算出 HOMO 和 LUMO 的分子轨道图 (e)，以及 [VIm-2]TFSI、[VIm-4]TFSI 和 [VIm6]TFSI 的空穴和电子分布的实空间表示 (f)。 (g) IG 的荧光光谱（插图为荧光 IG 的图像）。 (h) t-IG 在紫外光下发出强烈荧光的照片。
图 7. 柔性手环在复杂环境下的救援功能。 (a) 不同水深下IGs的FEM模拟。 (b)佩戴者在不同水深下的照片，(c)对应的t-IG电阻值。 (d) 救援人员在空中不同距离处通过紫外线手电筒被动发出的手环荧光图像。 (e) 佩戴者在空气中不同距离处用紫外线手电筒主动照射手环生成的照片。 (f) 手环水下荧光图像。 (g) 佩戴者在水下不同距离处用紫外线手电筒主动照射手环生成的照片。 (h) 基于 t-IG 的压力传感器与其他报道的基于 IG 的压力传感器的压力检测范围的比较。 (i) 基于 t-IG 的手环与其他基于压力传感器的可穿戴设备的多功能性、商业化程度和产品完成度的比较。
