2024年9月27日，林业工程学科生物质仿生智能研究团队在纳米材料领域国际期刊《ACS Nano》（中科院1区Top，IF=15.8）在线发表题为“Myelin sheath-inspired hydrogel electrode for artificial skin and physiological monitoring”（用于人造皮肤以及生理信号监测的髓鞘启发水凝胶电极）的研究论文。该团队本科生柳晨聪为本文的第一作者，浙江农林大学化学与材料工程学院为该论文第一单位和通讯作者单位。

近年来，基于水凝胶的表皮电极研究取得了显著进展。然而，其固有的局限性（如自适应性和导电性）影响了生理-电极界面的灵敏度和动态信噪比。本研究提出了受髓鞘启发的水凝胶表皮电子概念，即在弱物理交联的聚电解质网络中引入反髓鞘结构的聚(3,4-乙二氧基噻吩): 磺化纤维素纳米纤维（PEDOT:SCNF）导电纤维。该导电纳米纤维可通过溶剂催化磺化和氧化自聚合制备，经过离子液体屏蔽后处理实现电导率提升。

髓鞘启发水凝胶电极设计

在含髓鞘的神经纤维中，每两个施万细胞之间的无髓鞘轴索是裸露的，构成郎飞结，兴奋以跳跃的方式在相邻的两个结之间形成局部电流，大大加快了信号传导速度。由于电压依赖性钠（Nav）通道的节点簇的存在和髓鞘的电容特性，朗飞结的存在促进动作电位的快速、定向跃迁传播。受这一现象的启发，我们设计并合成了一种“反朗飞结”导电纳米纤维，将其引入自适应性水凝胶聚电解质基质内部，形成含节段性导电跃迁通路的仿生神经网络。

▲仿生郎飞结定向跃迁电导示意图

机械纳米感应评估

该仿生凝胶电极具有低且稳定的表皮-电子接触阻抗，其应用潜能包括：人体动作像素化监测、机器与人间类模拟通信接口构建、表面肌电图（sEMG）和心电图（ECG）监测等。作为概念验证，我们展示了该凝胶在手臂三角肌肉群的空间映射、无线智能手势控制机器推车、面部提唇肌和皱眉肌sEMG监测以及静态和动态ECG比较等场景下的实际应用水平。结果证实了仿生凝胶电极在穿戴式人机界面智能系统中的多功能应用潜力，通过仿生凝胶传感材料的整合，可穿戴柔性凝胶电子的应用将有望涵盖从生理状态谱图实时绘制、假肢控制等医疗保健到家庭和工业自动化各个领域。

▲多像素凝胶电极阵列

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c07677

（化材学院 谢秀琴）