9月27日，林業工程學科生物質仿生智能研究團隊在納米材料領域國際期刊《ACS Nano》（中科院1區Top，IF=15.8）在線發表題為《用于人造皮膚以及生理信號監測的髓鞘啟發水凝膠電極》（Myelin sheath-inspired hydrogel electrode for artificial skin and physiological monitoring）的研究論文。該團隊本科生柳晨聰為本文第一作者，浙江農林大學化學與材料工程學院為該論文第一單位和通訊作者單位。
近年來，基于水凝膠的表皮電極研究取得了顯著進展。然而，其固有的局限性（如自適應性和導電性）影響了生理-電極界面的靈敏度和動態信噪比。本研究提出了受髓鞘啟發的水凝膠表皮電子概念，即在弱物理交聯的聚電解質網絡中引入反髓鞘結構的聚(3,4-乙二氧基噻吩): 磺化纖維素納米纖維（PEDOT:SCNF）導電纖維。該導電納米纖維可通過溶劑催化磺化和氧化自聚合制備，經過離子液體屏蔽后處理實現電導率提升。
髓鞘啟發水凝膠電極設計
在含髓鞘的神經纖維中，每兩個施萬細胞之間的無髓鞘軸索是裸露的，構成郎飛結，興奮以跳躍的方式在相鄰的兩個結之間形成局部電流，大大加快了信號傳導速度。由于電壓依賴性鈉（Nav）通道的節點簇的存在和髓鞘的電容特性，朗飛結的存在促進動作電位的快速、定向躍遷傳播。受這一現象的啟發，我們設計并合成了一種“反朗飛結”導電納米纖維，將其引入自適應性水凝膠聚電解質基質內部，形成含節段性導電躍遷通路的仿生神經網絡。
▲仿生郎飛結定向躍遷電導示意圖
機械納米感應評估
該仿生凝膠電極具有低且穩定的表皮-電子接觸阻抗，其應用潛能包括：人體動作像素化監測、機器與人間類模擬通信接口構建、表面肌電圖（sEMG）和心電圖（ECG）監測等。作為概念驗證，我們展示了該凝膠在手臂三角肌肉群的空間映射、無線智能手勢控制機器推車、面部提唇肌和皺眉肌sEMG監測以及靜態和動態ECG比較等場景下的實際應用水平。結果證實了仿生凝膠電極在穿戴式人機界面智能系統中的多功能應用潛力，通過仿生凝膠傳感材料的整合，可穿戴柔性凝膠電子的應用將有望涵蓋從生理狀態譜圖實時繪制、假肢控制等醫療保健到家庭和工業自動化各個領域。
▲多像素凝膠電極陣列
（化材學院 謝秀琴）
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