浙江大学彭玉鑫等人Advanced Science：即时粘附水凝胶实现水下生理监测与行为追踪

Wiley

2025-11-20

研究背景

水下生物信号监测在运动健康监测、海洋生态研究、紧急救援等领域展现出广阔前景。然而，传统水下传感设备普遍存在粘附速度慢、界面结合弱、生物相容性差、制造工艺不可扩展等问题，严重限制了其在实际场景中的应用。尤其是在潮湿或完全水下的环境中，实现快速、稳定、多参数生理信号的连续监测仍是一个重大挑战。

文章概述

浙江大学彭玉鑫、许震、明鑫、陈雪垠等人合作开发了一种基于分子缠结工程策略（MEES）的水下即时粘附水凝胶界面（PAMP hydrogel），实现了在10秒内快速、强韧的水下粘附（界面韧性＞230 J/m^²），并具备组织般的柔软性（杨氏模量≈10⁹kPa）和优良的生物相容性。该研究还建立了卷对卷（roll-to-roll）规模化制备工艺，成功将其应用于多物种水下生理监测与行为跟踪。相关成果发表在国际综合性TOP期刊Advanced Science（IF：14.1）上——“Underwater Instant Adhesive Hydrogel Interfaces for Robust Biosensing on Diverse Species”（水下即时粘附水凝胶界面用于多物种的稳健生物传感）。

该研究通过将超高分子量聚乙烯氧化物（UHMW-PEO）与聚丙烯酰胺（PAM）复合，构建了具有双连续多孔结构的水凝胶体系。该结构显著优化了水分传输通道，使水凝胶在接触湿润组织时可在10秒内迅速溶胀并形成强韧粘附。其粘附机制包括氢键、共价键和配位键等多种分子相互作用，确保了在水环境中的稳定性。该水凝胶作为生物粘附平台，成功集成多模态柔性传感贴片，用于实时监测人类游泳时的心率、呼吸、运动姿态等生理参数，并在黑鱼、鲫鱼、螃蟹、乌龟等多种水生与两栖动物中成功进行了无创、即时、稳定的生物传感器附着与行为轨迹跟踪。

图文导读

图1  PAMP水凝胶的关键优势（强粘附、生物相容、柔性）、制备流程（刮涂、交联、干燥）、以及其即时瞬态水下粘附（10秒内）示意图。阐释了水凝胶如何通过快速溶胀和多重界面相互作用机制（氢键、共价键、配位键、缠结）实现快速强力的水下粘附。

图2 多模态传感器（ECG, IMU, 温度）的柔性贴片设计、佩戴位置，以及在游泳测试中采集到的生理信号（心率、呼吸、体温、姿态）。证明了基于PAMP水凝胶的传感器能在水下运动环境中实现快速部署和长期、稳定、多参数的生理信号监测

图3 将传感器成功附着在多种水生及两栖动物（黑鱼、鲷鱼、螃蟹、乌龟）身上，并详细记录了在鲶鱼身上在西湖进行野外实地释放和轨迹追踪。验证了PAMP水凝胶能实现无创、快速的生物传感器附着，适用于多种不同物种，为水下动物迁移研究和保护提供了新的技术手段。

意义与展望

该研究不仅为解决水下生物传感中的粘附难题提供了新材料与新方法，还为运动医学、野生动物保护、应急救援等领域的实际应用提供了可靠的技术平台。通过分子缠结工程策略，该工作为极端环境下的自适应水凝胶材料设计提供了通用框架，具有重要的科学价值与应用前景。

期刊简介

Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。