柔性可穿戴电子设备在健康监测、人机接口和自供电系统中具有广阔应用前景，其核心挑战在于开发兼具高导电性、机械柔韧性、生物相容性与多功能集成的新型材料。传统生物电信号采集电极如湿电极和干电极在信号质量与使用便捷性之间难以兼顾，而现有水凝胶材料在长期稳定性和功能集成方面仍存在不足。为此，开发一种集信号采集、环境感知与能源供应于一体的柔性导电水凝胶系统，成为推动下一代可穿戴技术发展的关键。
近日，必威官方首页官网生物与医学工程学院李广利副教授课题组开发出一种新型Fe3+掺杂明胶/聚（丙烯酸-丙烯酰胺）离子导电水凝胶（GPFe），该水凝胶具备优异的机械强度、抗疲劳性、自恢复性、保湿性、抗膨胀性和导电性能，成功实现了生物电信号采集、盐溶液识别与柔性超级电容器三大功能的集成。相关研究成果以“Flexible Fe3+-doped gelatin/poly(acrylate-co-acrylamide) conductive hydrogels for biopotential acquisition, salt recognition, and supercapacitors”为题发表于《Sensors and Actuators: A. Physical》。论文通讯作者为必威官方首页官网李广利副教授和湖南省株洲市第三医院副主任医师、副院长张猷玫。
完全物理交联GPFe水凝胶的合成和结构示意图
研究团队通过一锅法在室温下制备出具有物理交联双网络结构的GPFe水凝胶，其断裂应变达534%，断裂应力为3.46 MPa，具备良好的机械韧性和快速自恢复能力。将其作为半干电极的电解质渗透界面，该电极在10 Hz下表现出低且稳定的电极-头皮阻抗（17.8 ± 3.69 kΩ），能够可靠采集与金标准湿电极质量相当的脑电、心电和肌电信号，时域相关系数分别达到0.92 ± 0.36（ECEO范式）和0.93 ± 0.24（SSVEP范式）。此外，GPFe水凝胶还能作为盐溶液识别传感器，通过电阻变化区分NaCl、CaCl₂和AlCl₃等不同种类和浓度的盐溶液，并具备良好的重复性。同时，以其为电解质组装的柔性超级电容器展现出高面积电容（6.25 mF cm⁻²）和优异的循环稳定性（2000次循环后容量保持率达92.5%），在不同弯曲角度下电容性能几乎不受影响，显示出卓越的机械适应性。这项研究首次实现在同一水凝胶平台中集成生物电信号采集、化学感知与能量存储三大功能，为构建自供电、多功能的可穿戴传感系统提供了新材料基础与技术路径，在智能健康监测、脑机接口和环境感知等领域具有重要应用潜力。
这项研究获得国家自然科学基金（62176089）、湖南省自然科学基金（2024JJ7651；2024JJ9551；2023JJ20024；2021JJ30226）和湖南省教育厅科研基金（24A0417；21B0532）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116425
