皮肤阻抗既能反映人体的皮肤屏障功能，也能体现其心理生理状态，但由于缺乏可同时具备耐水性、拉伸性和透气性的电极，实现皮肤阻抗的长期监测仍面临挑战。

近日，东京大学 Takao Someya教授团队通过调控聚合物组分，研发出聚乙烯醇/水性聚氨酯（PVA/WBPU）共混纳米网电极。经静电纺丝工艺制备的纳米纤维呈现岛 - 海相分离形貌，其中聚乙烯醇发生部分溶解，实现电极与皮肤的临时粘附，而残留的水性聚氨酯则保障电极的结构完整性。经优化得到的 PVA/WBPU=5/5 配比电极，在持续水流冲刷 24 小时后电阻仅小幅上升（增至原来的 1.02 倍），且在 80% 拉伸应变下、经 1000 次拉伸循环后仍能保持导电性。将该电极贴附于手掌时，其电阻可在至少 4 小时内保持稳定（小于 50 欧姆），而纯聚乙烯醇电极的电阻则常升至 1 千欧以上，甚至出现电路断路的情况。上述结果表明，调控聚乙烯醇与水性聚氨酯的共混比例，可在保留电极透气性的同时，保障其机械稳定性和电学稳定性，这也为研发适用于长期监测、可贴合皮肤且具备透气性的生物电子界面，确立了一套材料设计策略。相关研究内容以“Breathable nanomesh electrodes with improved water resistance and stretchability for skin impedance monitoring”为题目，发表在期刊《npj Flexible Electronics》上。

图 1 | 金 - 聚乙烯醇/水性聚氨酯共混纳米网电极及其皮肤应用。

本研究研发出由聚乙烯醇（PVA）与水性聚氨酯（WBPU）共混制备的透气、耐水且耐应变的纳米网电极，适用于皮肤阻抗与电阻的长期监测。如图 1a~1b 所示，该电极由静电纺丝制备的 PVA/WBPU 纳米纤维包覆一层薄金膜构成。向贴附于皮肤的电极喷洒水分后，部分聚乙烯醇发生溶解，起到粘合剂的作用以固定电极，而水性聚氨酯则保留为管状残余纤维，维持纳米网的整体结构。这种独特的结构转变使电极无需借助外部粘合剂，即可与皮肤表面紧密贴合。

该电极的纳米纤维直径为 300~900 nm，多孔的纤维结构保障了优异的透气性；电极整体厚度仅数微米，能够与皮肤表皮的精细微结构高度贴合。仅需少量水分润湿，该电极即可自行与皮肤粘附，即便遇水也能保持牢固的贴附效果（见图 1c），同时在皮肤发生形变时，仍能维持良好的机械柔韧性与拉伸性（见图 1d）。这些综合性能使其能够在手掌这类易出汗区域实现稳定的阻抗监测 —— 传统聚乙烯醇基纳米网电极在该区域的监测效果往往不佳。因此，这款 PVA/WBPU 共混纳米网电极可实现可靠的皮肤阻抗长期监测，进一步拓展了其在日常活动中连续监测的应用场景，包括压力评估、运动监测与睡眠研究等。

图 2 | 聚乙烯醇/水性聚氨酯共混纳米网电极的结构及表面疏水性。

纳米网电极的耐水稳定性

为评估所制备纳米网电极的耐水性，本研究采用图 3a 所示装置，在 22℃连续水流冲刷条件下测试电极的电阻变化，结果汇总于图 3b。水流在测试开始 60 s 时开启（时间轴 x=1 处），纯 PVA 电极（PVA/WBPU=10/0）仅 36 s 后便完全失去导电性；7/3 配比电极在水流开启后电阻小幅上升 1.1 倍，后续保持稳定；而5/5 配比电极的耐水性最优，经 24 h 连续水流冲刷后，电阻仅上升 1.02 倍。

PVA 与 WBPU 共混可显著提升纳米网电极在湿态下的电学稳定性和界面粘附稳定性：纯 PVA 电极因 PVA 溶解和结构坍塌迅速失去导电性，而 5/5 配比电极在 24 h 连续水流冲刷下仍能维持电学连续性，且长期水浸泡后粘附性进一步提升。PVA 的溶解促使电极形成 WBPU 支撑的金纳米网结构，该结构能与皮肤表面更紧密贴合，同时实现电学性能和界面粘附性的双重稳定。这些综合性能使 5/5 配比成为适用于高出汗、高湿度环境下皮肤阻抗长期连续监测的最优配方。

图 3 | 聚乙烯醇/水性聚氨酯共混纳米网电极的机电稳定性。

基于 PVA/WBPU 共混纳米网电极的皮肤阻抗/电阻测量

为验证 PVA/WBPU 共混纳米网电极能否准确捕捉皮肤阻抗的变化，本研究开展了薄膜覆盖实验。如图 4a 所示，将一对纯 PVA 电极和一对 5/5 配比共混电极贴附于受试者右前臂（距腕部约 5 cm 处），在 1 kHz 频率下连续监测皮肤阻抗。测试开始 10 min 后，用不透气塑料薄膜覆盖测量区域 1 min，随后揭开 1 min，此循环重复三次。

结果如图 4b 所示，纯 PVA 电极和 5/5 配比共混电极均能准确捕捉到薄膜覆盖 - 揭开过程中皮肤阻抗的重复性波动，这一结果与以往采用纯 PVA 纳米网电极的研究结论一致，证实电极的透气性是实现皮肤电阻精准监测的关键。本研究结果进一步表明，5/5 配比的共混纳米网电极在提升耐水性和耐应变性的同时，仍保留了实现皮肤阻抗可靠、实时监测所需的透气性。

图 4 | 基于纳米网电极的皮肤阻抗检测。

PVA/WBPU 共混纳米网电极的在体长期稳定性

为评估纳米网电极在人体皮肤表面的长期电学稳定性，本研究将纯 PVA 和 5/5 配比共混电极分别贴附于人体前臂（图 5a）和手掌（图 5c），对电极电阻进行数小时连续监测，对比传统纯 PVA 纳米网电极与共混电极的性能差异。需说明的是，前臂和手掌的测试在不同受试者身上开展，以排除不同皮肤区域的特性差异对实验结果的影响。

在前臂测试中，纯 PVA 电极的初始电阻约为 100 Ω，部分样品可在数小时内保持相对稳定，但部分样品的电阻在 6 h 内迅速上升至 1 kΩ 以上，部分甚至出现完全断路（图 5b）；而所有 5/5 配比的共混电极均保持低且稳定的电阻，全程维持在 10~30 Ω。定量统计显示，6 个纯 PVA 电极中仅 2 个（33%）在 6 h 后电阻低于 1 kΩ，而 6 个 5/5 配比共混电极的达标率为 100%（图 5e），表明共混电极的电学稳定性具有良好的可重复性，而纯 PVA 电极的性能存在显著个体差异。

手掌为高出汗、高机械形变区域，测试条件更为严苛，电极性能表现出与前臂一致的趋势：部分纯 PVA 电极可保持电阻稳定，但多数样品在 1~2 h 内电阻大幅上升，常超过 1000 Ω，轻微活动即会导致电极完全失效（图 5d）；定量统计显示，8 个纯 PVA 电极中仅 3 个（38%）在 4 h 后电阻低于 1 kΩ，而所有 8 个 5/5 配比共混电极在 4 h 内电阻均低于 50 Ω，达标率 100%（图 5f）。纯 PVA 电极的性能不稳定性导致皮肤阻抗测量结果的可重复性极差，而共混电极即便在高出汗条件下仍能实现可靠测量。

图 5 | 聚乙烯醇/水性聚氨酯共混纳米网电极在皮肤表面的长期稳定性。

本研究证实，PVA 与 WBPU 共混可制得兼具透气性、耐水性和拉伸性的纳米网电极。结构分析表明，该电极具有相分离形貌 ——PVA 相溶解实现电极与皮肤的粘附，WBPU 纤维保留并实现电极结构的增强。通过将共混比优化为 5/5，电极即便在手掌这类高出汗、高机械应力区域，仍能在至少 4 h 内维持稳定的电学性能和结构完整性，且未损失透气性。上述结果表明，调控聚合物共混比例可使透气型纳米网电极在动态、高湿度的皮肤环境下保持稳定性能。

理论上，提高 WBPU 的比例或可进一步提升电极的机械鲁棒性；但本研究中使用的 WBPU 为商用水分散液，降低其水分含量可能引发相分离或材料性质改变，因此本研究在所选材料的实际应用限制下完成配方优化，确定 5/5 为最优配比。

尽管本研究证实了聚合物共混在提升纳米网电极耐久性方面的核心优势，但其实际转化仍面临诸多挑战：其中，实现纳米网与外部系统的可靠电互连、集成拉伸性布线，以及将电极与无线模块结合，是开发实用化长期监测设备的关键。未来研究还需将电极评估拓展至慢性应用场景，并验证皮肤阻抗连续监测的临床价值。总体而言，本研究证实了优化聚合物共混比例作为材料设计策略的科学价值，该策略可有效保障透气型纳米网电极的电学和机械稳定性，为可穿戴生物电子设备的电极研发提供了新的思路。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-026-00542-8