通过皮肤获取人体的电生理信号已经在医学和人机交互领域展示了其广泛的应用价值。然而传统的电生理信号的获取严重依赖离子凝胶作为皮肤和采集电路之间的稳定桥梁，离子凝胶的易失水性和皮肤毒性严重影响了其实际应用。因此，开发新的无溶剂离子导电材料将极大地促进皮肤电生理学的发展。本文的研究者就提出了一种新型的超分子离子导电材料，它具有高电导（> 3.3×10-2 S m-1）、无溶剂以及良好的生物相容性等优势。
电子纹身由于能够与人体皮肤保型的接触成为很多电子皮肤研究的主要应用形式，然而电子纹身的制造通常依赖于电子导体（如金属、碳纳米材料、导电聚合物、液态金属）来赋予它们拉伸性、图案结构和超薄性质。因此，复杂的制造工艺或高成本的导电材料限制了电子纹身的可扩展生产和广泛使用。然而，人体并非是由这些电子导电的材料构成，而是通过离子体液实现电信号的传递，因此离子皮肤（I-skin）是一种更为接近和适应人体的选择。
吉林大学刘小孔和中国科学院深圳先进技术研究院刘志远课题组报道了一种通过高密度氢键将天然存在的可电离化合物（肌醇六磷酸，IP6）通过生物相容性聚合物（聚乙二醇，PVA）封装，从而产生无溶剂的超分子离子导电弹性体（SF-supra-ICE），消除了水凝胶的脱水问题。具有高离子电导率（>0.3 mS/m）的导电弹性体表现出皮肤般的柔软性，优异的弹性，透气性和自粘性。奇妙的是，SF-supra-ICE可以通过简单的水蒸发步骤获得，以将水性前驱体通过蒸发过程固化为无溶剂状态。因此，水性前驱体在未蒸发前可以当做油墨进行涂漆和印刷以形成定制的离子纹身，用于构建多功能的皮肤生物电子学应用场景。利用这种方式形成的离子纹身表现出与人体皮肤的超保形粘附能力，能够长期和高保真地记录各种电生理信号，具有卓越的抗运动伪影特性。
图1展示了该材料的制备工艺以及材料的结构示意图，可以看到所形成的无溶剂离子导电弹性体中因为蒸发处理而不存在溶剂，因此避免了脱水问题。此外，在未蒸发前，水性前驱体可以通过绘制或打印的方式进行图案化。
图1.（a）超分子离子导电弹性体（SF-supra-ICE）的制作过程；（b）材料结构示意图；（c）图案化制备过程。
超分子离子导电弹性体（SF-supra-ICE）在机械特性上具有更好的皮肤相似性，同时在离子电导率上取得了优异的性能表现。同时，SF-supra-ICE在长时间存放（150天）的情况下依然能够保持良好的粘性，这与其他凝胶材料相比具有巨大优势。此外，研究者还对SF-supra-ICE的生物相容性进行了相关测试。该离子弹性体与人体的贴附性能优异，有利于长时间的生理电信号的检测。
图2.（a）机械特性与成分组成比例的关系；（b）杨氏模量的对比；（c）离子电导率的对比。
图3.超分子离子导电弹性体（SF-supra-ICE）在长时间存放和恶劣环境下的性能表现
图4.超分子离子导电弹性体（SF-supra-ICE）的图案化和生物相容性测试结果。
图5.超分子离子导电弹性体（SF-supra-ICE）电极对心电和肌电型号的长期测量结果与性能表现。
通过无溶剂离子导电弹性体的设计，研究人员实现了可以保持更长时间性能稳定的新型生理电信号采集方式。所得到的SF-supra-ICE不仅在传统的导电性和粘附性上保持了良好性能，而且在图案化以及长期使用上取得了突破。与利用电子导电材料的其他电子纹身相比，其在成本和制备工艺上的优势更为明显。编者认为这种无溶剂离子导电体的系统集成方法的研究将进一步推动其对可穿戴生理电信号采集领域的应用和发展。
相关论文以题为“Solvent-Free And Skin-Like Supramolecular Ion-Conductive Elastomers with Versatile Processability for Multifunctional Ionic Tattoos And On-Skin Bioelectronics”发表在Advanced Materials上。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202304157
