研究背景

近年来，可穿戴电子设备为健康监测带来了新的曙光。其中，水凝胶传感器因与生物组织相似，在实际应用中备受关注。然而，普通水凝胶存在不少 “硬伤”，如机械强度差、易脱水和冻结、粘性弱、自我修复能力不足等。为了解决这些问题，研究团队将目光投向了丝素水凝胶（SFH）。研究人员以家蚕茧中的丝素溶液为基础，让它与聚丙烯酰胺（PAAm）通过氯化胆碱（ChCl）形成链状网络，成功制备出了性能卓越的丝素水凝胶。研究结果以“Silk Fibroin Hydrogel for Pulse Waveform Precise and Continuous Perception”为题发表在Advanced Healthcare Materials上。

研究内容

以家蚕茧丝素溶液为原料，与由氯化胆碱（ChCl）和丙烯酰胺（AAm）混合加热制成的深共熔溶剂（DES），在光引发剂作用下经紫外光固化，5分钟内可制得透明的SFH，其形状由模具和浇筑量控制。SFH 具有良好的透明度和透射率，透射率在400至800 nm的波长范围内超过95%。

SFH具有优异的机械性能，比较了常规多网络水凝胶（由 SF 溶液、PAAm和水组成，表示为SA-C）和氢键增强的合成聚合物水凝胶（由 PAAm、ChCl和水组成，表示为PAAm水凝胶）。SFH强度达0.96MPa，断裂应变1962%，能承受4.6kg的重物，韧性为3.74MJm−3，杨氏模量0.42MPa，低于人体皮肤模量，断裂能为16.5 kJm−2。较高浓度的SF 溶液（14%、16% 和 18%）会导致较低的强度和较高的断裂应变（>2000%，超出质构仪的应变范围）。选择SFH（16% SF 溶液）并用手拉伸，可被拉伸至原始长度的24倍而不破裂，并在释放后1分钟内完全恢复。

图1 SFH 制造工艺、结构和机械性能的示意图

SFH 具有物理稳定性和非凡的环境耐受性，为稳定的电性能提供了主要条件。在25℃（露天）、60℃（烘箱）或- 23℃（冰箱）环境下放置 12 小时，SFH保持稳定，60℃烘干72h重量仅损失5%，冰点为- 64.25℃，在水中浸泡30min无明显变化。

SFH 具有自主自愈能力。切断后1分钟重新连接，能承受300%应变不断裂，愈合72h后可恢复至原强度67.4%。SFH 具有良好的附着力，确保其对各种基材的亲和力。SFH 对皮肤的粘合强度为28 kPa。

图2 SFH 的环境稳定性、自愈、粘附

SFH具有优异的印刷适性。SFH前驱体由于粘度低，可直接用于打印。前驱体的凝胶转变可以很快完成，紫外光下用注射器手动测试了挤出打印，表明SFH具有3D打印的潜力。

图3 SFH的可打印性

SFH具有稳定且高的导电性。室温电导率为3.6 S cm-1，随丝素溶液增加而提高，打印的SFH也使皮肤表面更具导电性。SFH 的传感性能通过各种应变下相对电阻变化的可重复性来证明。SFH 的传感性能由不同频率下的连续应变表示。电信号的频率为0.5至3 Hz，覆盖大多数人群的脉冲频率。在连续压缩下，电信号显示出良好的再现。表明SFH 可以为应变和压力模型提供稳定的电信号。

图4 SFH的导电性和可靠性

SFH传感器具有较低的检测限和较宽的感应范围，在不同的人为信号中显示出潜力。贴在手指关节和手腕，能精准监测动作，相对电阻变化重复精度高；作为语音传感器，能捕捉发音时独特的电阻信号模式，可用于语音识别。

图5 SFH 作为人体运动检测的传感器

SFH可用于脉搏波形监测。SFH被置于腕带下，应变传感器记录由于 SFH 应变引起的电阻信号，即平行于皮肤的变形。设计的应变和压力传感器能高精度检测桡动脉和肱动脉脉搏波形，提供一致、可靠、高精度且功能丰富的波形，如前进波、反射波、重搏波等，以及对应的特征点 ，用于计算多种生理参数，从而能够对血压和心血管功能进行后续分析和预测。

图6 SFH 作为脉冲波形监测传感器

结论

丝素水凝胶（SFH）作为新型材料，具有透明、超可拉伸、坚韧、自愈合、高粘附、环境耐受、可打印和高灵敏度导电等特性。将其制成应变和压力传感器，能高精度、稳定地监测桡动脉和肱动脉脉搏波形，为血压和心脏功能分析提供生理信号，在个性化健康管理等方面极具前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adhm.202403637