1 文章信息
文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-73303-w
通讯作者：高萌副教授（天津科技大学轻工科学与工程学院）
第一作者：王晓娟（天津科技大学2022级博士）
2 研究背景
表皮电子在健康监测、人机交互领域极具应用价值，但传统技术存在诸多明显短板，不仅制备步骤繁琐、耗时长，难以实现快速成型，而且其柔性膜易破损，转移到皮肤及各类曲面时操作困难，同时多数制备材料不可降解，在环保性与生物相容性方面受到较大限制，此外电极与皮肤界面的阻抗较高，还会影响监测信号的保真度；受自然界“奶皮”自组装现象启发，研究团队提出了金属配位驱动的超快分子组装思路，采用绿色生物基材料，成功实现了“秒级”原位成膜，有望有效解决传统技术的上述短板。
3 研究成果
团队开发了“浸蘸–浸蘸”两步组装法，具体操作流程为：先将目标表面浸入羧甲基纤维素（CMC）溶液，再浸入铜离子溶液，全程仅需2秒，即可在任意表面（包括皮肤、糖果、金属、水凝胶、水果等）原位生成超薄导电生物膜，该方法及生成的生物膜取得了多项关键成果：不仅实现了超快成型，全程仅需2秒且无需额外设备、无需转移步骤；生物膜超薄保型贴合，厚度约为3.4 μm，能够完美贴附各类复杂曲面；其在20 Hz下的阻抗比商用Ag/AgCl电极低约84%；同时具备可图案化特性，可直接在皮肤上制备柔性电路；具有良好的可降解性，在自然环境下9天即可出现明显降解，绿色环保；此外还拥有高生物相容性，细胞毒性低；并且适用范围广泛，可拓展到甲基纤维素、羧甲基壳聚糖等多种生物大分子。
4 图文导读
图1：受奶皮成膜效应启发，基于金属离子驱动组装策略制备并表征羧甲基纤维素-铜离子（CMC-Cu(II)）复合薄膜。a (i) 牛奶来源（奶牛）和一杯牛奶的照片。(ii) 牛奶皮形成过程中的热诱导分子组装及牛奶皮的数码照片。(iii) 纤维素的多级结构及羧甲基纤维素粉末的照片。羧甲基纤维素作为典型的纤维素衍生物大分子，来源于木浆纤维。(iv) Cu(II)离子与羧甲基纤维素分子的强配位促进分子组装，有助于快速生成CMC-Cu(II)超薄导电生物膜。右侧的离子分别表示脂肪球（棕色球）、蛋白质分子（红蓝结构）、Cu(II)离子（浅蓝色球）和纤维素纳米纤维（绿色波浪线）。b 通过简单的浸蘸-浸蘸工艺从羧甲基纤维素和Cu(II)溶液制备的CMC-Cu(II)膜的数码照片。c 适应性、高度共形的CMC-Cu(II)膜在多种基底的不规则表面原位组装(i)。CMC-Cu(II)图案在不同二维和三维表面上的数码照片(ii-iii)。d 超薄CMC-Cu(II)膜的横截面扫描电镜图像。e 附着在聚氯乙烯波浪形模具上的高度共形CMC-Cu(II)膜的横截面扫描电镜图像。f 人体皮肤上CMC-Cu(II)图案化微电子电路的数码图像及其点亮LED灯的能力。图像中的“+”和“-”表示LED电路的正负极。g 羧甲基纤维素-铜(II)膜和聚乙烯膜的降解照片。
图2：配位作用介导分子组装成膜的机理验证与作用机制探究。a CMC、Cu(II)以及二者复合体系CMC-Cu(II)的紫外吸收光谱，可直观证实羧甲基纤维素与铜离子之间存在配位相互作用；b 纯CMC膜与CMC-Cu(II)膜的O 1s 轨道分峰拟合图谱，结果显示CMC-Cu(II)膜中C-O和C=O官能团显著减少，为铜(II)与羧甲基纤维素之间的强配位提供了有力证据。c CMC-Cu(II)、d CMC-Fe(II)和e CMC-Ca(II)在不同反应时间的紫外光谱和膜照片。f CMC、CMC-Cu(II)、CMC-Fe(II)和CMC-Ca(II)中Na元素的XPS能谱。g 将该成膜策略和金属离子诱导分子组装规律扩展到其他生物大分子，如甲基纤维素和羧甲基壳聚糖。“++”表示可以形成完整且自支撑的膜；“+”表示形成的膜呈现碎片化形态和不完全剥离；“-”表示没有膜形成。
图3：配位作用诱导分子组装的机理表征与模拟。a 利用GROMACS软件模拟得到的Cu(II)诱导CMC分子链组装在0、10、20和40纳秒时的快照；青绿色链代表CMC的纤维素分子链，红棕色球体代表Cu(II)，浅灰色球体代表Na(I)。b CMC-Cu(II)体系中Cu(II)的径向分布函数。c CMC-Cu(II)体系中Cu(II)和Na(I)的均方位移。d CMC-Cu(II)、氧化铜（CuO）及铜单质（Cu foil）的铜K边X射线近边吸收谱（XANES）；氧化铜和铜箔标准样品的谱图用于对比分析。e CMC-Cu(II)的R空间扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）及其对应拟合曲线（FT表示傅里叶变换）。f 通过密度泛函理论（DFT）模拟得到的CMC-Cu(II)、CMC-Fe(II)和CMC-Ca(II)的配位结构及静电势图；颜色标度范围为-0.300（红色）至0.300（蓝色），单位为原子单位（a.u.）。g 通过DFT计算得到的CMC-Cu(II)、CMC-Fe(II)和CMC-Ca(II)的结合能。
图4：CMC-Cu(II)表皮电极对心电图（ECG）、眼电图（EOG）和脑电图（EEG）的高保真监测。a ECG、EOG和EEG监测示意图。b CMC-Cu(II)电极与商用电极在20赫兹至1000千赫兹范围内的皮肤接触阻抗值。c CMC-Cu(II)电极与商用电极记录的周期性心电图信号及信噪比（SNR）。d 单个周期心电图信号的时频图。e EOG采集过程中的电极放置示意图。f和g CMC-Cu(II)电极捕捉到的受试者眨眼及眼球运动相关的周期性眼电图信号（f），以及单个周期眼电图信号的对应时频图（g）。h EEG采集过程中的电极放置示意图。i–k 受试者进行音乐聆听认知活动期间，CMC-Cu(II)电极记录的脑电图信号（i）、对应时频图（j）以及专注度与放松度系数（k）。所有心电图、眼电图和脑电图时频图的颜色标度（蓝色至黄色）表示光谱强度从低到高。
图5：CMC-Cu(II)表皮电极对多通道及精细动作的高保真肌电图（EMG）监测。a EMG采集过程中，电极在手臂不同肌肉上的放置示意图。b-c 受试者使用握力计运动时，CMC-Cu(II)电极（b）和商用电极（c）记录的四通道周期性肌电信号。d 各通道中CMC-Cu(II)电极与商用电极采集肌电信号的SNR对比。e EMG采集过程中，电极在腿部不同肌肉上的放置示意图。f 腿部肌电信号采集期间的一系列腿部动作（上）；CMC-Cu(II)电极与商用电极捕捉到的受试者该系列腿部动作对应的肌电信号（下）。g 电极放置在双侧颊部咬肌及喉部以采集微小信号的示意图。h CMC-Cu(II)电极与商用电极记录的受试者说出部分常用词语及做出其他口腔动作时的肌电信号。
5 总结
本研究受奶皮成膜效应及分子自组装原理启发，开发出一种全新电子生物膜制备策略，借助金属离子强配位作用实现超薄电子生物膜快速制备，突破了传统技术局限。该电子皮肤以自然界储量丰富的可持续纤维素为原料，制备仅需2秒，3.4微米的超薄厚度确保其与各类基底高度保型贴合；可在目标基底原位成膜，省去繁琐转移步骤，便捷性大幅提升；在20 Hz下电极阻抗较商用电极降低84%，信号采集更稳定准确；并且使用后9天内可生物降解，契合绿色环保理念。这些特性使其成为表皮电子应用的理想候选材料。尽管24小时细胞毒性实验已证实其常规监测时长内的安全性，但未来仍需开展皮肤刺激、致敏性评估，验证其长期使用安全性。本研究为可持续生物电子器件研发提供了全新思路并完成初步验证，为后续柔性生物电子技术产业化落地奠定了基础。
6 作者简介
高萌，博士，副教授，博士生导师。研究方向包括表面电子、印刷电子及界面粘附调控。博士毕业于中国科学院化学研究，后在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）进行博士后研究。以第一/通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Matter, ACS Nano, Innovation, Adv. Funct. Mater.等期刊上发表研究文章，研究成果被MIT Technology Review、Materials Views等国际媒体亮点报道，被评为天津市青年科技人才。
王晓娟，天津科技大学2022级博士研究生。主要研究方向为生物质柔性电子器件。以第一作者和通讯作者（含共同）于Nat. Commun., Innovation, ACS Mater. Lett., Carbohydr. polym., ACS Appl. Nano Mater.等SCI期刊发表论文7篇，授权国家专利3项，主持省级项目和山东省专项课题2项。
