随着柔性生物电子学的快速发展，如何实现电子器件与柔软、动态生物组织之间稳定的界面接触，始终是该领域的核心挑战。水凝胶因其具备类组织的柔软性、良好的生物相容性以及高效的离子导电能力，被视为理想的生物界面材料。超薄导电水凝胶能够为柔性生物电子器件提供共形且稳定的界面接触，这是实现低阻抗、获取高质量电生理信号的关键。然而，厚度低于10微米的超薄水凝胶因其低模量和极薄的厚度，不仅制备难度极高，而且在加工和使用中极易发生撕裂、起皱和损坏，存储过程中也容易脱水。因此，超薄水凝胶在制备、操控及存储方面均面临巨大挑战。

尽管近年来科学家们已成功制备出厚度低于10微米的较薄水凝胶，但现有的工艺（如模铸、旋涂、层压、浸渍等）在规模化、可重复性和实用操控性方面仍存在诸多难题，严重阻碍了超薄水凝胶生物电子学走向临床及大规模应用。

为了解决这一问题，香港理工大学郑子剑团队联合南方科技大学蒋兴宇团队提出了一种按需形成策略，用于制造可即用的、超薄（最薄可达1微米）水凝胶生物电极。该成果（On-demand formation of ultrathin liquid metal hydrogel tattoos for conformal and low-impedance bioelectronics）近日发表于国际顶尖期刊《Science Advances》。

研究人员首先采用静电纺丝技术，制备出由聚乙烯醇（PVA）纳米纤维构成的多孔薄膜，并对其进行热交联处理。该薄膜在干燥状态下具备良好的机械强度，便于裁剪、储存和操作。随后，利用模板印刷技术，将室温下呈液态的镓铟合金（EGaIn）精确图案化于PVA纤维膜表面，形成干态下的“液态金属纤维膜”（LMFM）。

本研究的核心创新在于：当干燥的LMFM接触到湿润的皮肤或组织表面（例如喷洒生理盐水、接触组织液或汗液）时，其内部的亲水性纳米纤维网络会迅速吸收水分，在数秒至两分钟内原位转化为一层透明、柔软且具有强粘附性的超薄水凝胶——“液态金属水凝胶纹身”（LMHT）。这种“干态储存、湿态激活”的按需形成模式，从根本上解决了超薄水凝胶（厚度低于10微米）在制造和转移过程中长期存在的难题。研究者所制备出的最薄LMHT，厚度仅约1微米。

图1：超薄共形水凝胶电子纹身按需制备示意图及生物表面形成过程。

图2展示了LMHT作为生物界面材料的核心优势。PVA纤维膜变成水凝胶的杨氏模量仅为470 kPa，与人体皮肤等软组织高度匹配，同时具备44 J/m2的界面韧性和约18 kPa的剪切粘附强度，能够实现牢固却温和的组织贴合。得益于超薄厚度和多孔纤维结构，LMHT可完美共形于粗糙表面、皮肤纹理、甚至毛发皮肤。该超薄水凝胶还有动态透湿性能，其湿气透过率高达588 g/m2 day，远超医用透气胶带。细胞实验证实，LMHT培养的3T3成纤维细胞活力接近100%，展现出优异的生物相容性。此外，干态LMFM可在室温下稳定存放超过3年，使用后的LMHT还可通过热水溶解回收PVA和液态金属，实现材料的绿色循环。

图2：超薄水凝胶的特性。

本工作另一个关键创新在于，构筑“离子导电+电子导电”双导电层结构电极：底部超薄离子导电水凝胶层与皮肤接触实现高效的离子-电子转换，顶部液态金属层则作为柔性集流体确保信号低噪声传输。该双层设计可实现超低界面接触阻抗，图3揭示了LMHT在电学性能上的突破。其皮肤接触阻抗在1 kHz频率下低至1.2 kΩ，比商用Ag/AgCl凝胶电极低两个数量级，即便在0.1 Hz的极低频下也仅8.16 kΩ。研究还发现，阻抗随厚度降低而显著下降——1微米厚的LMHT表现最佳。对比测试中，LMHT的阻抗远低于商用凝胶电极、液态金属干电极以及多数已报道的超薄电子纹身。更关键的是，在皮肤拉伸、压缩等动态变形下，LMHT的阻抗保持稳定，为其在长期可穿戴监测和动态生理环境中的可靠应用奠定了基础。

图3：超薄水凝胶的电学特性（低界面阻抗）。

在表皮电子应用中，志愿者佩戴LMHT进行72小时连续心电图监测，结果显示其始终能记录到清晰的P-QRS-T波群，信号质量稳定，远优于在24小时后即出现信号衰减的商品化凝胶电极。在剧烈运动（如打羽毛球）时，LMHT的抗运动伪影能力也显著强于对照电极。此外，15名受试者的问卷评估表明，LMHT的佩戴舒适度评分（1.47/10）远优于传统凝胶电极（5.0/10）。在神经肌肉电刺激（NMES）诱发手腕屈伸运动中，相同刺激参数下LMHT引起的腕关节活动角度（81.6°）远大于商用凝胶电极（22.0°），且响应更快；在手势识别方面，将18个LMHT组成的六通道阵列贴附于前臂，结合人工神经网络算法，可实现高达93.69%的识别准确率，能够区分弯曲不同手指、比划数字等多种手势。

图4：超薄水凝胶生物电极的表皮应用。

该超薄共形水凝胶纹身的潜力不仅限于表皮电子，研究团队进一步探索了其在植入式医疗场景中的应用：在体内心脏标测中，将六通道LMHT阵列直接置于大鼠跳动的心脏表面，LMHT可迅速吸收心外膜组织液形成水凝胶并牢固贴合心肌，成功记录到来自右心房、右心室、左心室等多位点的高时空分辨率心电信号（幅度约8 mV，通道间串扰极小），展现出精准定位心律失常病灶的巨大潜力。对于任何植入或体表接触设备，生物安全性是底线。研究通过体外细胞培养和大鼠体内长达4周的植入实验证实：LMHT几乎不引起细胞毒性（细胞活力接近100%），植入心脏后仅引发极轻微的炎症反应和纤维化。相比之下，传统聚酰亚胺（PI）基电极则导致了严重的纤维囊包裹。

图5：超薄水凝胶生物电极的体内应用及生物相容性。

研究团队指出，这一按需制备的共形水凝胶策略具有广泛的材料普适性，可拓展至壳聚糖、明胶等多种亲水性聚合物，以及金、银、碳纳米管等导电材料。结合卷对卷电纺丝与丝网印刷等技术，该工艺具备规模化生产的潜力。论文通讯作者郑子剑教授表示：“我们的工作为长期困扰柔性生物电子领域的超薄水凝胶共形生物界面设计难题提供了一个全新的解决方案。LMHT兼具超薄、柔软、低阻抗、高透气与生物友好等优异特性，且使用极为便捷：‘干态易操作，湿态贴得牢’。这项技术不仅为柔性生物电子界面材料设计开启一种新范式，还有望实现产业化和实际应用。”

该论文的第一作者为在香港理工大学从事“香江学者”访问研究的丁义纯副研究员（现为南昌大学物理与材料学院特聘教授），香港理工大学应用生物及化学科学系的陈繁博士和南方科技大学的江宜洲博士为论文的共同第一作者。香港理工大学副校长（知识转移）郑子剑教授与南方科技大学生物医学工程系蒋兴宇教授为共同通讯作者。该研究得到了港深合作项目、香港研究资助局、中国国家自然科学基金、“香江学者”计划以及香港理工大学等多个项目的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aee2233 

人物简介：

郑子剑，香港理工大学副校长（知识转移）、应用生物及化学技术学系软材料及器件讲座教授、教育部长江学者讲座教授、香港研资局高级研究学者、国家自然科学基金青A项目获得者。2003清华本科毕业，2007年剑桥博士毕业，2008-2009在美国西北大学从事博后研究，2009年在香港理工大学成立独立课题组。郑教授长期致力于柔性电子、高比能锂金属电池、柔性能源转化与存储等领域的新材料及器件设计、制备及机理研究，迄今已在Science，Nature，Nature Materials，Nature Electronics，Nature Communications，Science Advances，Advanced Materials等高影响因子期刊上发表论文280余篇，申请专利50余项，获20余项学术奖项，是科睿唯安高被引科学家。他创办了Wiley出版社旗下聚焦绿色能源环境材料的新期刊《EcoMat》并担任主编，同时担任Chemical Reviews、Advanced Materials等多个杂志的国际编委。2018年当选香港青年科学院院士，2021年当选国际先进材料协会会士（FIAAM），2022年当选英国皇家化学学会会士（FRSC），2023年获得首届香港工程科技奖，2024年当选香港工程科学院青年院士（YFHKEng）。2025年获教育部科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖。