“會呼吸”的水凝膠，登上Nature！

在生物醫學工程領域，水凝膠因其優異的生物相容性和類組織的水環境而被廣泛應用于傷口敷料、組織粘合劑、生物電極、隱形眼鏡及超聲耦合等場景。然而，水凝膠在實際應用中面臨一個根本性挑戰：其內部以水為主的極性環境，導致非極性氣體（如氧氣和二氧化碳）的溶解度和擴散系數遠低于氣相，氣體交換效率天然受限。長期以來，提升水凝膠透氣性的嘗試，無論是引入宏觀/介觀空氣通道還是采用具有分子級自由體積的材料，都受制于通道易塌陷或積水、結構不穩定，以及透氣性與高含水量之間存在內在權衡——現有設計往往被迫采用低含水量（<50 vol%）或超薄形態，難以兼顧高效的氣體交換與維持濕潤的生物環境。

為攻克這一難題，麻省理工學院趙選賀教授、嚴笑云?教授（現華南理工大學教授）和李姝聰助理教授（現佐治亞理工學院）研究團隊受人體肺部結構啟發——肺盡管含水量約80%，但其氣道系統在軟骨支撐和疏水層功能化下可實現每分鐘數升的空氣交換——提出了一種基于粘彈性相分離（Viscoelastic Phase Separation, VPS）的創新策略。該策略成功地在高含水量（70 vol%）的水凝膠內部構建了由疏水二氧化硅氣凝膠顆粒組成的、穩定且相互連通的“富氣網絡”，從而實現了創紀錄的氧氣滲透性——高達185 Barrer，是原始水凝膠的約十倍，甚至超越了目前最先進的硅水凝膠。這項突破性技術不僅制備工藝簡單、適配多種水凝膠材料（包括合成、蛋白基和多糖基水凝膠），而且在長達10天的連續皮膚佩戴測試中，展現出卓越的防止汗液積聚和維護皮膚健康的能力，為水凝膠在長期生物醫學領域的應用鋪平了道路。相關論文以“Air-permeable hydrogels through viscoelastic phase separation of aerogels”為題，發表在Nature上。

為了形象地展示其設計理念與性能優勢，研究團隊首先通過示意圖對比了傳統水凝膠、硅水凝膠與新型VPS水凝膠的微觀結構差異（圖1a）。傳統水凝膠是單一水相，氣體分子在其中傳輸困難；硅水凝膠雖引入疏水成分形成富氧相，但含水量大幅降低；而VPS水凝膠則通過VPS過程，讓疏水的氣凝膠顆粒（直徑約8 μm，孔隙率90%）在水相中形成類似“肺泡”網絡的三維連通通道。圖1b的曲線清晰地展示了這一革命性進步：在相同含水量（約70 vol%）下，VPS水凝膠的氧氣滲透性（可達185 Barrer）遠超常規水凝膠在純水中的理論上限（約40 Barrer以下），也顯著高于高透氣性的硅水凝膠。進一步與市售的皮膚/眼部護理產品（如3M Tegaderm薄膜、DynaDerm水膠體貼片、3M ECG電極及多種硅水凝膠鏡片等）對比（圖1c），VPS水凝膠的名義氧氣滲透性（經邊緣效應校正后的值）是這些產品的四倍以上。此外，該策略具備極佳的工藝適應性，可借助多種加工方法制成大面積片材、封裝貼片或微紋理薄膜等多種形態（圖1d）。體外生物相容性實驗（圖1e）也證實，VPS水凝膠浸提液培養的NIH 3T3成纖維細胞活性與對照組無顯著差異，細胞形態健康，證明了其安全性。

圖1 | 設計策略與透氣水凝膠的關鍵特性。a，VPS水凝膠的多級結構。b，常規水凝膠（補充表1）、硅水凝膠（補充表2）和VPS水凝膠的透氣性隨含水量的變化，以及常規水凝膠透氣性的理論上限。每種材料微觀結構的示意圖如插圖所示，其中藍色和灰色區域分別代表親水部分和疏水部分。c，VPS水凝膠與商用皮膚/眼部水凝膠/彈性體產品的名義氧氣滲透性對比（補充表3）。d，VPS水凝膠的多種形態。e，VPS水凝膠的體外生物相容性，通過培養24小時后對NIH 3T3成纖維細胞系的活/死染色評估。所有柱高表示數據的平均值。所有誤差線表示標準差（±s.d.）。c和e中n=3個獨立樣本。比例尺，2 cm（d）；200 μm（e）。

深入研究其內部結構的形成機制，團隊發現VPS過程是實現高透氣性的關鍵。當疏水氣凝膠顆粒均勻分散在水中時，它們與周圍水分子運動存在巨大的動態不對稱性（尺寸差異可達102至10?倍），導致氣凝膠富集相無法跟上水富集相的變形速率，表現得像彈性體。如圖2a所示，在傳統對稱性相分離中（1），低含量的分散相會形成孤立的島狀結構；而在VPS過程中（2），氣凝膠顆粒會在相分離的中間態形成跨越整個體系的、相互連通的網絡結構，隨后才會逐漸斷裂成孤立團聚體。圖2b的光學顯微鏡照片捕捉到了這一動態過程：氣凝膠顆粒從初始均勻分布（左），逐漸聚集形成網絡狀結構（中），最終斷開成孤立團聚體（右）。微米級計算機斷層掃描（Micro-CT）三維重建圖像（圖2c）更直觀地展示了這一演變，其中最大的連通網絡（紅色）在8小時時占據了主導地位。定量分析（圖2d）顯示，最大的連通網絡體積占比在8小時達到峰值（84%），隨后下降，而較小的網絡則呈現相反趨勢，這與VPS理論預測的網絡形成后斷裂的演變規律完全一致。拓撲學分析（圖2e）中歐拉示性數的變化（從正值降至負極小值再回升）也印證了結構從孤立球體到連通網狀再到斷裂的演化。研究團隊利用該中間態的連通網絡作為氣體滲透通道，并通過誘導大分子交聯來“凍結”顆粒運動，從而鎖定最佳形貌。最為關鍵的是，氧氣滲透性測試（圖2f）表明，對于2 wt%（約11 vol%）氣凝膠含量的樣品，其透氣性在8小時達到峰值（141 Barrer），與結構演化的最優狀態高度吻合；而4 wt%氣凝膠含量的樣品同樣在8小時達到峰值（193 Barrer），且因顆粒運動受限，24小時后透氣性幾乎保持不變。

圖2 | VPS氣凝膠網絡的制備與表征。a，（1）動態對稱和（2）動態不對稱組分之間相分離的動力學特征。b，光學顯微鏡圖像顯示相分離結構隨時間的變化。c，通過顯微CT獲得的橫截面圖像和重建的氣凝膠網絡，根據其尺寸用不同顏色高亮顯示：最大至第四大的網絡分別用紅色、黃色、藍色和綠色表示。其他較小的網絡以灰色顯示。d，對前八大最大滲透網絡體積比隨時間演變的定量分析。誤差線反映了幾個選定區域的體積比（表征細節見方法）。e，使用歐拉示性數對網絡滲透進行拓撲分析。f，VPS氣凝膠網絡中氧氣滲透性隨時間的變化。所有柱高表示數據的平均值。所有誤差線表示標準差（±s.d.）。d、e和f中n=3個獨立樣本。比例尺，100 μm。a.u.，任意單位。

基于上述機理，研究團隊成功制備了多種高性能VPS水凝膠。如圖3a流程所示，VPS形成的連通網絡骨架被通過凍融交聯“凍結”后，再將其浸入各種水凝膠預聚液（如PVA、明膠、海藻酸鹽、瓊脂糖、殼聚糖）中，利用透析替換原理進行填充，即可制得目標產物。圖3b的擠壓測試表明，填充前網絡受壓后有液體擠出，而填充聚合物后，網絡能牢固鎖住液體，無液體擠出，且熱重分析驗證了填充成功。在性能方面（圖3c），以PVA水凝膠為例，原始PVA的氧氣滲透性僅為15.5 Barrer，而VPS PVA水凝膠在保持約70 vol%含水量的同時，滲透性躍升至153 Barrer，提升近十倍。同樣，VPS明膠（69→185 Barrer）、海藻酸鹽（38→159 Barrer）、瓊脂糖（35→134 Barrer）和殼聚糖（21→139 Barrer）水凝膠的透氣性也都遠超其原始狀態。此外，VPS水凝膠的水蒸氣透過率（WVTR，圖3d）比硅膠和聚氨酯貼片高出10到100倍。在力學性能上（圖3e），由于氣凝膠含量低（2 wt%時約11 vol%），VPS PVA水凝膠保持了與原始PVA水凝膠相近的柔軟度（楊氏模量50-100 kPa），與生物組織（如前臂皮膚10-100 kPa）相當。如圖3f所示，該材料可承受彎曲、折疊、卷曲和拉伸等大幅變形而不損壞。即便經過10,000次20%應變的循環拉伸（圖3g），其透氣性僅下降約5%，楊氏模量較首次循環下降12.8%，展現了出色的機械耐久性。圖3h的漂浮實驗更直觀地表明，得益于內部穩定的空氣網絡，VPS水凝膠能長期漂浮在水面上，而常規多孔水凝膠則會迅速沉沒或被水浸潤。此外，該平臺還能輕松集成功能添加劑（如電解質氯化鈉、導電納米纖維PEDOT:PSS、導電微粒銀片），實現離子導電（達70.8 mS cm?1）和電子導電（PEDOT:PSS基達4.42 S cm?1，銀片基達471 S cm?1），且因VPS網絡的連通結構，導電性顯著高于隨機混合樣品（圖3i-l），為可穿戴生物電子設備提供了兼具高透氣與高導電的理想材料。

圖3 | VPS水凝膠的制備與性能。a，VPS網絡形成及將聚合物填充到VPS網絡中制備VPS水凝膠的示意圖。b，聚合物填充前后樣品的擠壓測試。c，各種VPS水凝膠（4 wt%氣凝膠含量）與其對應原始水凝膠的透氣性比較。d，VPS水凝膠（4 wt%氣凝膠含量）與其他用于表皮應用的商用產品的水蒸氣透過率（WVTR）比較。e，VPS PVA水凝膠與原始PVA水凝膠的楊氏模量比較。樣品含2 wt%（11 vol%）氣凝膠。樣品含4 wt%（23 vol%）氣凝膠。f，VPS水凝膠承受各種形變，包括（1）彎曲、（2）折疊、（3）卷曲和（4）拉伸。g，VPS水凝膠在初始狀態及20%應變下經過10、100和10,000次拉伸循環后的氧氣滲透性。h，穩定的VPS水凝膠與無孔水凝膠和常規多孔水凝膠在水中的對比。i，常規離子水凝膠與VPS離子水凝膠（2 wt%氣凝膠含量）的透氣性和電導率（以離子為主要載流子）比較。參考文獻和關鍵參數見補充表6。j，聚合物基、金屬基、碳基及VPS導電水凝膠（2 wt%氣凝膠含量）的透氣性和電導率（以電子為主要載流子）比較。參考文獻和關鍵參數見補充表7。k，通過VPS過程和隨機混合制備的PEDOT:PSS基水凝膠的電導率比較。l，通過VPS過程和隨機混合制備的銀片基水凝膠的電導率比較。所有柱高表示數據的平均值。所有誤差線表示標準差（±s.d.）。c、d、e、g、k和l中n=3個獨立樣本。比例尺，1 cm。

在實際應用層面，VPS水凝膠展現了顯著的舒適性和健康優勢。圖4a-f的人體穿戴實驗結果顯示，在20分鐘橢圓機運動后，普通硅膠貼片覆蓋的皮膚溫度升高了6.5℃，而VPS水凝膠貼片下的皮膚溫度卻下降了約1℃（圖4b-c），表明其優異的散熱和汗液蒸發能力。從圖4d-e的染色圖像可以清晰看到，硅膠貼片下積聚了大量汗液（上），而VPS水凝膠覆蓋的皮膚（下）則保持干爽，與裸露皮膚無異。十名受試者在1小時中等強度運動后的主觀舒適度評分（圖4f，視覺模擬量表0-10分）也證實VPS水凝膠最為舒適（評分最低）。更重要的是，對皮膚屏障功能的長期影響評估（圖4g-i）顯示，佩戴24小時后，VPS水凝膠覆蓋區域的經皮水分流失（TEWL）和皮膚含水量能在約6小時內恢復到健康皮膚范圍（灰色陰影區），而原始PVA水凝膠恢復明顯較慢，表明VPS水凝膠能有效減輕長期封閉對皮膚造成的負面影響。

VPS水凝膠在醫療監測中的實用性尤為突出。在動態心電圖（ECG）監測中（圖4j-m），研究團隊用離子導電的VPS水凝膠替代商用Ag/AgCl電極的水凝膠層（圖4j）。在10分鐘固定強度騎行測試中，傳統的商用凝膠電極在運動出汗后信號質量急劇下降，出現嚴重基線漂移和QRS波群模糊（圖4l）；而采用VPS水凝膠作為導電壓敏膠層的電極（圖4m）在整個騎行運動及恢復期間都能保持清晰、穩定的ECG信號，可準確提取心率（HR）和QT間期等關鍵生理參數。更令人印象深刻的是長達10天的連續監測（圖4n-o）。在整個佩戴期內，VPS水凝膠電極始終保持低皮膚接觸阻抗、低皮膚刺激性和穩定的透氣性。在第10天，無論是睡眠、工作、步行還是劇烈運動時采集的信號（圖4o），都清晰可辨P波、QRS波群和T波，證明了該電極在真實復雜生活場景下的長期可靠性和優越性。此外，VPS水凝膠還展現出常規水凝膠無法實現的功能：由于其穩定氣凝膠網絡與水的強烈聲阻抗不匹配，它在水中可產生清晰的超聲成像對比，并在聲波刺激下產生顯著形變驅動，而普通水凝膠在相同條件下幾乎無響應。

圖4 | 佩戴VPS水凝膠（4 wt%氣凝膠含量）后的生理反應。a，汗液積聚測試中的感興趣區域。b，靜息時（貼片貼敷前；溫度范圍：17.4 - 32.8°C）和運動后2分鐘（貼片移除后；溫度范圍：16.3 - 32.9°C）顯示皮膚狀況的紅外圖像。c，沿b圖中實線（運動前狀態）和虛線（運動后狀態）的溫度曲線。藍色和紅色陰影分別對應對照組和VPS水凝膠貼片的位置。d，運動前（上）和運動后（下）的測試區域。e，硅膠貼片（上）和VPS水凝膠（下）覆蓋區域的汗液滲透放大圖像和示意圖。f，使用視覺模擬量表對參與者穿戴不適感進行評分，范圍從0（最舒適）到10（最不舒適）。n=8或10名志愿者，每人進行一次測試。g，皮膚貼敷VPS和PVA水凝膠24小時后，經皮水分流失（TEWL）的代表性恢復過程?；疑幱皡^域表示健康皮膚的TEWL范圍。h，貼敷VPS和PVA水凝膠24小時后，皮膚含水量水平的代表性恢復過程。灰色陰影區域表示健康皮膚的含水量范圍。i，分別貼敷VPS和PVA水凝膠24小時后，TEWL和含水量水平與健康狀態（0%）的偏差百分比。n=2名志愿者，每人進行三次獨立測試。j，商用ECG電極（上）和基于VPS水凝膠的ECG電極（下）的照片。k，使用可穿戴ECG監測系統（插圖）在騎行運動中的汗液積聚測試。l，商用凝膠電極在20分鐘運動過程中獲取的ECG信號：（1）連續軌跡及（2）運動前、（3）運動中、（4）運動后的10秒片段。m，VPS水凝膠電極獲取的ECG信號。插圖：（1）從VPS水凝膠電極ECG數據提取的心率（HR）曲線和（2）QT間期（QT）曲線；（3）20分鐘運動片段；（4）-（6）運動前、中和后的10秒ECG片段。n，第10天記錄的完整ECG信號序列（上）和HR曲線（下）。o，對應n圖中高亮顯示的時間區域，在睡眠（灰色）、工作（藍色）、步行（黃色）和運動（紅色）期間的12秒代表性ECG信號片段。所有柱高表示數據的平均值。所有誤差線表示標準差（±s.d.）。比例尺，1 cm（d, e, j）；1 min（m）。a.u.，任意單位。

總而言之，這項基于粘彈性相分離的創新策略，從根本上解決了水凝膠材料透氣性與高含水量之間的矛盾，創造出一類兼具生物組織般的濕潤環境與優異氣體交換能力的新型材料。VPS水凝膠不僅在佩戴舒適度和皮膚健康維護上遠超現有商用產品，其在長期、動態生理信號監測中的卓越表現，更預示著可穿戴健康監護設備正從“日拋型”向“連續周監測”的范式轉變。盡管目前的VPS水凝膠本身不具備固有粘性，但未來可通過引入超分子相互作用或界面反應基團等濕粘附機制，開發出兼具粘附性與透氣性的水凝膠。此外，進一步提高氣凝膠含量可進一步增加透氣性，有望在傷口護理、活體材料等透氣驅動的水凝膠界面中發揮更大作用?？傮w而言，VPS水凝膠因其易于與各種生物材料/生物電子制造技術和規?；a方法集成，有望成為醫療健康領域中的變革性材料。