摘要：超薄導電水凝膠因其類組織柔軟性和高效離子-電子轉導能力，為柔性生物電子器件提供了共形接觸與低阻抗接口，在高質量電生理信號采集方面具有巨大潛力。然而，水凝膠的低模量使其在制備、操作和部署過程中極易撕裂、褶皺和損壞，嚴重制約了亞10微米厚度水凝膠器件的實用化。本文綜述了鄭子劍團隊聯合蔣興宇團隊提出的一種超薄液態金屬水凝膠電子紋身（LMHT）的按需形成策略。該策略以熱交聯靜電紡絲聚乙烯醇（PVA）纖維膜為基底，通過模板印刷液態金屬（EGaIn）圖案，制備出干態易操作的液態金屬纖維膜（LMFM）；當其接觸濕潤組織表面時，可在數分鐘內原位轉化為超薄（低至1 μm）、自粘附、共形貼合的水凝膠電極。所得到的LMHT具有超輕質量（0.9 mg/cm2）、超低皮膚接觸阻抗（1.2 kΩ@1 kHz）和優異生物相容性。本文系統闡述了LMHT的設計理念、按需形成機制、力學與電學特性，并重點介紹了其在心電圖記錄、多通道肌電映射、神經肌肉電刺激及活體心臟監測等體表與植入式生物電子應用中的表現，最后對該策略的拓展潛力和未來發展方向進行了展望。

關鍵詞：液態金屬；水凝膠；電子紋身；超薄生物電極；按需形成；共形接觸

1 引言

生物電子器件在健康監測、即時診斷、康復治療和人機交互等領域展現出變革性潛力。皮膚界面生物傳感器能夠實時記錄心電圖（ECG）、肌電圖（EMG）和腦電圖（EEG）等電生理信號，為心血管、肌肉和神經系統健康評估提供關鍵信息。此外，可穿戴生物電子器件還支持神經肌肉電刺激（NMES）等治療應用，用于康復訓練和閉環神經調控。生物電極作為組織界面生物電子器件的核心元件，在電信號轉換中扮演關鍵角色，其性能必須同時滿足兩個核心要求：共形貼合能力和低界面阻抗。

水凝膠因其固有的類組織柔軟性、生物相容性和高效離子傳導能力，已成為生物界面材料的候選。這些特性既有利于實現緊密的組織接觸以穩定采集信號，又能提供低阻抗通路以實現高保真記錄和刺激。理論上，通過減小電極厚度和彈性模量可以增強其共形貼合能力，而水凝膠的雙重能力——將離子電流轉導為電子電流以及水化皮膚外層角質層——則可有效最小化阻抗。因此，超薄導電水凝膠是一種前景的平臺，因為減小厚度可通過有效接觸面積來協同提升共形性和降低阻抗。

然而，亞10微米厚度水凝膠器件的發展面臨一個根本性挑戰：水凝膠的低模量使其機械脆弱，在制備、操作和部署過程中極易撕裂、褶皺和損壞。現有制備方法如模鑄、旋涂、層壓和浸漬等，在可擴展性、可重復性和實際操作方面均存在困難。這些方法通常涉及從剛性基底的復雜轉移步驟或依賴支撐載體，違背了自支撐、類組織器件的設計初衷。因此，盡管近年來已成功制備出更薄的水凝膠薄膜，但這些原型往往缺乏實用化所需的機械魯棒性和易操作性，在受控實驗室環境之外難以即用即貼。

針對上述挑戰，香港理工大學鄭子劍團隊聯合南方科技大學蔣興宇團隊近期在Science Advances期刊上發表了一篇名為“On demand formation of ultrathin liquid metal hydrogel tattoos for conformal and low impedance bioelectronics"的文章，該文章提出了一種超薄、共形、低阻抗水凝膠生物電子器件的按需形成策略，通過將液態金屬圖案化的PVA纖維膜（LMFM）在接觸濕潤組織時原位轉化為超薄水凝膠電極，巧妙地將干態易操作性濕態功能化融為一體。所制備的液態金屬水凝膠電子紋身（LMHT）厚度可低至1 μm，兼具超低接觸阻抗和優異生物相容性，在體表心電記錄、多通道肌電映射、神經肌肉電刺激以及活體心臟監測等多種應用場景中表現出色。本文將系統綜述LMHT的設計原理、按需形成機制、關鍵特性及其在生物電子領域的典型應用。

2 LMHT的設計理念與按需形成策略

LMHT的核心理念是利用具有高孔隙率、親水性和吸水能力的高分子薄膜，在接觸濕潤組織時實現快速凝膠化，從而完成從干態易操作薄膜到濕態共形水凝膠電極的原位轉化。研究選擇PVA纖維膜（FM）作為基體材料，因其具有優異親水性、環保加工（水基靜電紡絲）、可回收性、生物相容性和成本效率等優勢。

2.1 三步法制備工藝

LMFM的制備包含三個步驟：（i）通過靜電紡絲制備PVA纖維膜，厚度可從數微米至數百微米可控調節，最薄可達約1 μm；（ii）通過熱處理實現PVA纖維膜的物理交聯，使PVA從水溶性轉變為水溶脹性；（iii）通過定制模板印刷將液態金屬圖案化沉積于PVA纖維膜上，形成LMFM。熱交聯機制涉及相鄰PVA鏈上羥基（?OH）之間的脫水反應，形成穩定的醚鍵（?C?O?C?），最佳條件為100°C退火1小時。這一物理交聯方法相較化學交聯（如戊二醛處理）具有加工簡單和生物相容性好的優勢。

導電層選用共晶鎵銦合金（EGaIn）液態金屬，充分利用其室溫流動性、柔韌性、高導電性和生物相容性。模板印刷可實現線寬低至約100 μm的精細圖案。為增強液態金屬與PVA纖維膜的潤濕性和附著力，液態金屬在空氣中熱退火形成部分氧化、糊狀形態，氧化層降低表面張力并改善在親水PVA納米纖維上的鋪展。此外，極性氧化鎵（Ga?O）基團與PVA的豐富羥基形成氫鍵，糊狀氧化液態金屬滲入纖維膜的多孔微觀粗糙結構形成三維錨定界面，有效分散機械應力并抵抗變形過程中的脫層。

圖1 超薄共形LMHT的按需形成 (A) 按需形成策略示意；(B,C) LMFM光學照片與交聯PVA纖維膜的SEM圖像；(D) 超薄共形LMHT貼附于皮膚的光學照片；(E) LMHT水凝膠網絡的SEM圖像；(F) 在跳動大鼠心臟上的LMHT按需形成過程

2.2 水觸發原位轉化機制

得益于PVA纖維膜的多孔親水特性，LMFM在接觸濕潤表面后可快速吸水。吸水后，LMFM從初始白色薄膜轉變為透明水凝膠，共形貼附于皮膚表面。值得注意的是，PVA纖維膜在水化過程中表現出可忽略的橫向溶脹，與傳統固體薄膜的顯著體積溶脹形成鮮明對比。這種尺寸穩定性歸因于其高孔隙率三維納米纖維結構——單個PVA納米纖維的徑向溶脹優先填充豐富的間隙孔洞，而非引起整體體積膨脹。所形成水凝膠的透光率在1~140 μm厚度范圍內均高于85%，最薄LMHT的面密度僅約0.9 mg/cm2。熱交聯使LMHT保持了多孔纖維支架結構，在水中浸泡60分鐘仍不發生明顯溶解。除了皮膚表面，LMHT的按需形成還可在活體條件下實現——將LMFM貼附于跳動的大鼠心臟表面，在2分鐘內成功轉化為LMHT，并在整個心動周期中保持共形穩定粘附，無生理干擾。

3 LMHT的關鍵特性

3.1 力學性能與粘附特性

原始PVA纖維膜的拉伸應變為94.5%、拉伸應力為9.66 MPa、楊氏模量為193.6 MPa。熱交聯后，拉伸應變略降至78.5%，而拉伸應力和模量分別升至12.55 MPa和205 MPa。水化后，LMHT的力學性能顯著下降——拉伸應變45.1%、應力1.34 MPa、楊氏模量470 kPa，表明其具有良好的柔軟性，且低楊氏模量與生物組織（如人體皮膚）緊密匹配，有利于最小化機械失配。在粘附性能方面，LMHT的界面韌性達44 J/m2，剪切粘附強度18.28 kPa，拉伸粘附強度4.096 kPa。其粘附機制源于PVA分子豐富的羥基基團，能夠與含羧基（C=O）和氨基（?NH?）的親水性皮膚表面形成氫鍵、靜電吸引和范德華力等強分子間相互作用。此外，物理交聯的PVA纖維膜保留了輕微溶解性，溶解的PVA分子可滲透水凝膠與皮膚之間的界面間隙（如皮膚紋路和褶皺），進一步增強粘附強度。

圖2 LMHT的特性 (A) PVA纖維膜、交聯纖維膜和LMHT的應力-應變曲線；(B) LMHT在豬皮上的粘附性能；(C) LMHT在濕潤組織上的粘附機制示意；(D) 不同厚度LMHT貼附于皮膚復制品的光學顯微圖像；(E) LMHT共形貼附于有毛皮膚并在變形下不滑移；(F) LMHT在有毛皮膚上干燥后的SEM圖像，可見皮膚紋理和毛鱗片印記；(G) LMHT共形包裹直徑50 μm金屬絲；(H) LMHT在粗糙表面（新鮮荔枝）上的共形貼附；(I) 不同厚度LMHT與參比基底的透濕率分析；(J) 3T3細胞活力定量評估；(K) LMHT回收路徑示意

3.2 共形貼合能力

得益于超薄厚度、類組織柔軟性和良好的粘附強度，LMHT對粗糙表面實現了共形貼合。研究通過在不同厚度LMHT貼附皮膚復制品（手臂、手掌和手指）上驗證了共形性隨厚度減小而逐步增強的規律。進一步實驗表明，共形性隨LMHT厚度減小和/或目標基底表面粗糙度降低而增加，而商用醫用膠帶則表現出較差的共形性。這些結果與Rogers等人建立的解析力學模型一致：共形性可通過降低電極彎曲剛度、增強界面粘附和應用至更光滑基底來提升。LMHT能夠共形貼附于有毛皮膚而不滑動，剝離后皮膚微紋理和毛發圖案被完整復制，甚至精細的毛鱗片特征也被保留。此外，LMHT還成功貼附于微細金屬絲（直徑50 μm）、新鮮荔枝、打印紙、金屬網、紡織品和新鮮葉片等多種粗糙基底，展現出廣泛的共形適應性。

3.3 透濕性、生物相容性與可回收性

LMHT表現出良好的透濕性。20 μm厚度的LMFM透濕率約為708 g/m2/天，水化為LMHT后略降至588 g/m2/天。盡管增加厚度導致透濕率遞減，但140 μm厚度LMHT仍保持386 g/m2/天的透濕率，遠高于商用透氣醫用膠帶（約40 μm TPU薄膜，148 g/m2/天）。LMHT的透濕機制源于其超薄水凝膠動態吸水和蒸發失水的協同效應，同時稀疏液態金屬圖案設計在保持充分透濕性的同時提供部分覆蓋以防止脫水。生物相容性方面，體外細胞毒性測試顯示PVA纖維膜和LMHT在72小時培養后細胞存活率接近100%。在可持續性方面，PVA和液態金屬均為可回收材料——廢舊LMHT可溶于熱水，分離出PVA溶液和液態金屬碎片，后者經稀堿或酸溶液還原后可再利用，PVA溶液經濃縮干燥后可重新用于靜電紡絲，實現材料循環利用。此外，干態LMFM在環境條件下儲存3年以上仍保持功能，具有重要的商業化儲存壽命意義。

4 超低皮膚-電極接觸阻抗

最小化皮膚-電極接觸阻抗對于高質量電生理記錄至關重要，因為它直接改善信噪比（SNR）并減少運動偽影。傳統電極包括厚凝膠電極和干電極通常存在厚度大和/或電容耦合能力有限的問題，導致共形性不足和接觸阻抗偏高。LMHT結合了電子導電液態金屬層和超薄離子導電水凝膠層，實現形性和最小接觸阻抗。上層液態金屬提供固有柔韌性和優異電導率，下層PVA水凝膠通過鹽水處理獲得離子電導率。研究選擇0.9 wt% NaCl（生理濃度）作為實際使用濃度以確保生物相容性。

圖3 LMHT的超低皮膚-電極接觸阻抗 (A~C) 厚凝膠電極、干電極和LMHT電極的配置、皮膚接觸條件和等效電路示意；(D) 不同長度液態金屬圖案的電阻；(E) 不同NaCl濃度潤濕的PVA水凝膠層離子電導率；(F) 不同厚度（1~140 μm）LMHT在皮膚制備后的接觸阻抗；(G) LMHT電極與商用Ag/AgCl凝膠電極和液態金屬干電極的阻抗對比；(H) 皮膚變形下接觸阻抗的變化；(I) 不同電極的皮膚-電極阻抗與厚度對比

皮膚-電極接觸阻抗隨電極厚度減小而降低，在低頻范圍內尤為顯著。厚度約1 μm的LMHT表現出性能——1 kHz下僅1.2 kΩ，0.1 Hz下也僅8.16 kΩ。低阻抗歸因于兩方面：（i）厚度減小帶來的共形性提升；（ii）厚度降低時皮膚-電極界面電容耦合增強。與商用Ag/AgCl凝膠電極（0.1 Hz下902.6 kΩ）相比，LMHT電極的阻抗低兩個數量級。即便不進行皮膚準備（酒精擦拭），LMHT仍表現出低接觸阻抗；在有毛皮膚和光滑皮膚上的阻抗也相似，得益于其良好的共形性。在皮膚拉伸和壓縮等日常變形下，阻抗保持穩定。總體而言，LMHT電極的阻抗水平遠低于多數已報道的濕電極、干電極和超薄電子紋身。針對超薄水凝膠暴露于環境中易脫水的問題，研究采用兩種策略加以解決：覆蓋透氣醫用TPU膠帶或添加甘油作為保濕劑，兩者均不影響電學性能。僅用甘油-鹽水溶液形成的LMHT在無覆蓋條件下可保持穩定接觸阻抗和ECG信號質量達24小時。

5 體表生物電子應用

5.1 心電圖長時監測

研究首先采用單導聯配置驗證LMHT在體表ECG信號記錄中的應用，三枚LMHT電極分別置于標準肢體導聯位置，并行放置商用凝膠電極作為對照。為平衡共形性與操作魯棒性，實際應用選擇20 μm厚度樣品（LMHT-20）。電極連續佩戴72小時，每12小時間歇記錄ECG信號。LMHT記錄的ECG信號呈現清晰的P-QRS-T波形，在整個72小時監測期間保持穩定信號保真度，而商用凝膠電極在24小時后出現漸進性信號退化。此外，LMHT在動態運動（打羽毛球）過程中表現出更優的抗運動偽影能力。72小時佩戴后，商用凝膠電極出現明顯水凝膠溶脹并從導電扣脫落，引起可見皮膚浸漬和紅斑，而LMHT在相同條件下未觀察到任何皮膚不良反應。15名受試者3小時佩戴的視覺模擬評分（VAS）顯示，LMHT不適評分（1.47分）顯著低于商用凝膠電極（5.0分，10分制），證實了LMHT更佳的佩戴舒適性。

圖4 LMHT在體表電生理信號記錄和NMES中的應用 (A,B) 72小時內每24小時間隔及運動時LMHT與商用凝膠電極的ECG記錄片段；(C) 72小時佩戴和運動期間的SNR計算；(D) 72小時貼附后電極移除的皮膚照片；(E) LMHT與商用電極佩戴舒適度的VAS評估；(F) LMHT用于NMES的示意；(G) LMHT與商用凝膠電極電刺激下的腕屈伸角度-時間曲線；(H) 三枚LMHT貼附于前臂進行單通道EMG記錄；(I,J) 握拳時LMHT與商用凝膠電極的EMG記錄片段及對應SNR；(K) 六通道LMHT貼附于前臂照片；(L) 不同手勢下的六通道EMG信號

5.2 神經肌肉電刺激與肌電映射

在NMES應用中，循環伏安法和電壓瞬態測量表明LMHT電有比鉑電極更高的電荷存儲容量（CSC）和更大的安全電荷注入容量（CIC）。將一對LMHT貼附于尺側腕屈肌（FCU）和尺側腕伸肌（ECU），在相同刺激協議（脈沖幅度96 V、脈寬16 μs、頻率40 Hz）下，LMHT的響應速度更快（1.56 s vs 1.63 s），腕屈伸幅度更大（81.6° vs 22.0°），優于商用凝膠電極。在EMG監測中，LMHT在握拳時的SNR達25.2 dB，顯著優于商用凝膠電極的17.08 dB。進一步設計了由18枚LMHT組成的六通道EMG電極陣列，貼附于前臂可同時采集六通道信號。信號模式隨不同手勢（單指彎曲、數字手勢等）呈現差異化響應，結合人工神經網絡（ANN）算法和特征提取（均值、標準差、方差、均方根、最大值等），手勢識別準確率達93.69%。

6 活體植入式應用

得益于PVA和EGaIn的優異生物相容性，LMHT非常適合植入式生物醫學應用。研究將LMFM應用于小鼠心臟、肝臟、脾臟、肺臟和腎臟等多種器官，不透明LMFM在吸收組織液后轉變為透明LMHT，并表現出良好的器官粘附性。該策略提供了三個關鍵操作優勢：快速部署（<2分鐘）、共形組織粘附和對復雜解剖表面的動態適應能力，同時顯著降低了傳統電極植入所需的精細固定或縫合帶來的侵入性。

圖5 LMHT的活體應用和慢性生物相容性 (A) LMHT貼附于不同器官的照片；(B) 六通道LMHT電極在跳動大鼠心臟上的按需形成過程；(C) 心臟通道位置示意；(D) LMHT記錄的活體組織阻抗；(E,F) 75 ms內六通道ECG幅度與心外膜電位圖譜；(G) 30秒內六通道ECG幅度；(H,I) 從ch3提取的代表性波形及小波時頻分析；(J) 4周植入后的組織病理學評估（H&E和Masson三色染色）對比：對照組、LMHT和PI電極

作為概念驗證，研究將六通道電極陣列應用于跳動的大鼠心臟——LMFM在120秒內吸收組織液并轉化為LMHT。六通道ECG信號轉導涉及三個關鍵步驟：（i）心臟組織到離子PVA水凝膠的離子傳導；（ii）液態金屬-水凝膠界面的電化學轉換；（iii）通過柔性聚酰亞胺（PI）電纜傳輸至監測系統。模板印刷液態金屬圖案可實現100 μm線寬和200 μm通道間距，為確保操作穩定性選擇600 μm間距。在1~105 Hz記錄頻率范圍內，LMHT表現出低電極-組織接觸阻抗。六通道信號捕獲了來自不同心臟部位（右心房、右心室、左心室、左心房）的差異化ECG模式，呈現清晰的P-QRS-T波群和8 mV幅度，通道間串擾極小。時空映射展示了800 μm分辨率下的區域激活模式，離散小波變換分析揭示了0~350 Hz范圍內的頻譜分量，同時保留了清晰可辨的P-QRS-T特征，為心律失常等心臟異常的臨床診斷提供了關鍵能力。

LMHT還表現出慢性生物相容性。對比組織學評估表明，LMHT植入后僅引起可忽略的纖維化和最小炎癥反應，與健康心肌的生理狀態接近。相比之下，傳統PI電極（30 μm厚）在植入7天后引起嚴重纖維化包裹（平均厚度292±196 μm）和明顯炎癥細胞浸潤，28天時進一步惡化至492±358 μm。28天后對肝臟、脾臟、肺臟和腎臟的組織學檢查未發現明顯病理改變，進一步驗證了LMHT的系統級長期生物相容性。這一良性生物反應直接歸因于LMHT的生物可吸收性，可防止長期異物反應并免除手術取出需求。

7 總結與展望

（1）鄭子劍團隊聯合蔣興宇團隊等提出的按需形成策略通過靜電紡絲PVA纖維膜快速吸水原位轉化為超薄水凝膠，巧妙解決了超薄水凝膠器件制備和操作的長期難題。干態LMFM易于操作和儲存（室溫3年以上），接觸濕潤組織后可在2分鐘內原位轉化為超薄（低至1 μm）、柔軟（楊氏模量470 kPa）、自粘附的共形水凝膠電極。結合液態金屬導電層和離子水凝膠層，LMHT兼具電子紋身和濕電極的雙重優勢——共形性和超低界面阻抗（1.2 kΩ@1 kHz），在體表和活體應用中均展現出優異性能。

（2）在體表應用中，LMHT在72小時連續ECG監測中保持穩定信號保真度，SNR和抗運動偽影能力優于商用凝膠電極；NMES響應速度更快、刺激幅度更大；六通道EMG陣列手勢識別準確率達93.69%。在活體應用中，六通道LMHT在跳動大鼠心臟上實現了高保真心外膜電位映射（800 μm分辨率）和離散小波時頻分析，慢性生物相容性遠優于傳統PI電極。這些成果表明LMHT在連續健康監測、康復治療和臨床心臟電生理等領域具有廣闊應用前景。

（3）未來研究方向可關注：①拓展按需形成策略至更多材料組合（如殼聚糖、明膠等可紡絲親水聚合物，以及噴涂、濺射、印刷等導電層沉積方法），進一步提升材料性能與功能多樣性；②在高分辨率、空間選擇性電極制備的同時最小化通道間串擾，發展柔軟而魯棒的互連策略以適應動態環境；③實現與混合電子系統的無縫集成，推進從實驗室概念驗證向可靠功能器件的轉化；④探索在纖維中原位負載鹽、粘附增強劑和治療藥物等添加劑，拓展至可控藥物遞送等多功能生物電子應用場景。