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  心血管植入電子設(shè)備（CIEDs）面臨高頻電磁干擾和功能集成的雙重挑戰(zhàn)。本研究創(chuàng)新性地開發(fā)了一種基于雙網(wǎng)絡(luò)離子水凝膠策略的多功能材料（h-CA-PAM-Li⁺），實(shí)現(xiàn)了高效電磁屏蔽（EMI SE_T高達(dá)63.75 dB） 與自供電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的集成。該水凝膠以海藻酸鈉（SA）/Ca²⁺物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和聚丙烯酰胺（PAM）化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成雙網(wǎng)絡(luò)骨架，通過調(diào)控Li⁺濃度梯度與水化效應(yīng)，構(gòu)建了以離子極化-界面弛豫為核心的吸收主導(dǎo)型屏蔽機(jī)制（A>R）。得益于優(yōu)異離子電導(dǎo)率（最高51.48 S cm^-1），該水凝膠被封裝在PDMS薄膜中制成自供電傳感器，集成無線模塊后可實(shí)時(shí)捕獲心跳等生理信號(hào)，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持高靈敏度和抗干擾能力。這種無傳統(tǒng)導(dǎo)電填料的材料兼具生物相容性、低成本和可設(shè)計(jì)性，為植入式電子設(shè)備的電磁防護(hù)與智能監(jiān)測(cè)提供了一種“材料-器件-系統(tǒng)”一體化解決方案。

  近期，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡傳雙教授/林秀儀副教授/徐江濤副教授團(tuán)隊(duì)，以“Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics”為題在《Advanced Science》上發(fā)表研究文章。文章第一作者是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生王臣臣。團(tuán)隊(duì)提出“雙網(wǎng)絡(luò)離子水凝膠”策略（SA/Ca²⁺ 物理交聯(lián) + AM原位聚合PAM化學(xué)交聯(lián)），以低成本離子鹽溶液替代傳統(tǒng)填料。通過調(diào)控鹽濃度（Li⁺）與水化效應(yīng)，協(xié)同優(yōu)化離子濃度梯度與遷移通道（CA鏈G-block單元與Li?特異性配位形成定向通道），構(gòu)建以強(qiáng)離子極化-界面弛豫為主導(dǎo)的高效電磁波吸收機(jī)制。利用水凝膠優(yōu)異離子電導(dǎo)率，設(shè)計(jì)并制造集成電磁屏蔽與自供電傳感（基于摩擦電效應(yīng)）功能的柔性電極，實(shí)現(xiàn)保護(hù)與監(jiān)測(cè)一體化。

圖1. CA-PAM-Li⁺ 和h-CA-PAM-Li⁺水凝膠設(shè)計(jì)與合成示意圖

  采用海藻酸鈉（SA）與鈣離子（Ca²⁺）交聯(lián)形成第一網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)，丙烯酰胺（AM）單體在引發(fā)劑過硫酸銨（APS）和交聯(lián)劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA）的作用下進(jìn)行原位聚合，形成聚丙烯酰胺（PAM）第二網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建出雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。引入鋰離子（Li⁺）使其與海藻酸鏈上的G嵌段單元（G-block）發(fā)生特異性配位作用，形成定向的離子傳輸通道。 最后， 通過水化處理進(jìn)一步優(yōu)化離子遷移路徑并增強(qiáng)界面弛豫效應(yīng)。

圖2. (a) LiCl、(b) H₂O 和 (c) LiCl-H₂O 的表面靜電勢(shì)，(d)、(e) 離子水凝膠系統(tǒng)中的離子導(dǎo)電路徑。

  DFT計(jì)算結(jié)果表明，Li⁺與水分子間的距離（0.189 nm）顯著短于Cl^-與H原子間的距離（0.253 nm），證實(shí)了Li⁺-H₂O相互作用更強(qiáng)，這有利于電荷轉(zhuǎn)移過程。在水凝膠體系中，表面豐富的親水基團(tuán)（-OH, -COOH, -NH₂）通過氫鍵有效固定水分子，形成連續(xù)的三維（3D）自由體積網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建了多尺度的離子遷移通道。其中，G-block單元與Li⁺的特異性配位進(jìn)一步促進(jìn)了離子的定向傳輸。同時(shí)，聚丙烯酰胺（PAM）鏈上的氨基通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成了富集水合Li⁺的局部微環(huán)境，有效降低了Li⁺脫溶劑化過程的能壘。此外，水化處理增強(qiáng)了LiCl-H₂O體系表面靜電勢(shì)分布的復(fù)雜性和非均勻性，有利于提升偶極極化損耗。

圖3. (a, b) 不同 Li⁺ 濃度的 CA-PAM-Li⁺水凝膠在X波段的電磁干擾屏蔽性能，(c) 傳導(dǎo)性，(d) 衰減常數(shù)，(e) 阻抗匹配，(f) SE_A/SE_T。

  Li⁺ 濃度對(duì)CA-PAM- Li⁺水凝膠的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE_T）具有顯著影響，其SE_T值隨Li⁺濃度的增加而提高，其中1.0 M樣品（CA-PAM-Li⁺-1.0）展現(xiàn)出最優(yōu)性能，達(dá)30.29 dB。這主要?dú)w因于高電導(dǎo)率增強(qiáng)了材料與電磁波（EMW）的相互作用。然而，電導(dǎo)率并非唯一決定因素，因?yàn)殡妼?dǎo)率最高的2.0 M樣品（CA-PAM-Li⁺-2.0）其SE_T并非最優(yōu)。性能最優(yōu)的1.0 M樣品關(guān)鍵在于其優(yōu)異的綜合電磁性能：高衰減常數(shù)(α)表明材料內(nèi)部具有更強(qiáng)的電磁波損耗能力，允許更多EMW進(jìn)入并被有效耗散；阻抗匹配值(Z)在0.4-0.9之間（接近1為最佳），配合適中的電導(dǎo)率，顯著提高了EMW進(jìn)入材料內(nèi)部的概率，減少了表面反射；同時(shí)，SEM觀察揭示該樣品具有獨(dú)特的蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了EMW在材料內(nèi)部的傳播路徑和多重反射/散射機(jī)會(huì)，進(jìn)一步促進(jìn)了能量耗散。最終，1.0 M樣品的吸收效能（SE_A）貢獻(xiàn)了總SE_T的93.49%，其吸收系數(shù)(A=0.63)顯著高于反射系數(shù)(R=0.3)，明確證實(shí)其屏蔽機(jī)制以吸收主導(dǎo)為核心。

圖4. (a) 導(dǎo)電性，(b, c) 不同Li⁺濃度的h-CA-PAM-Li⁺水凝膠在X波段的電磁干擾屏蔽性能，(d) h-CA-PAM-Li⁺-1.0和CA-PAM-Li⁺-1.0性能比較，(e) 阻抗匹配，(f) 衰減常數(shù)，(g)水凝膠放置不同時(shí)間的實(shí)物圖片，(h, i) h-CA-PAM-Li⁺水凝膠放置不同時(shí)間的電磁干擾屏蔽性能。

  經(jīng)水合處理后，h-CA-PAM-Li⁺系列水凝膠的電導(dǎo)率和電磁干擾屏蔽總效能（EMI SET）均獲得顯著提升。其中，h-CA-PAM- Li⁺-1.0的平均SET高達(dá)63.75 dB，相較于未水合的CA-PAM-Li?-1.0提升了110.4%，其吸收效能（SEA）達(dá)到60 dB左右（占總SET的93%以上），對(duì)應(yīng)的屏蔽效率(SE)超過99.9999%。性能的提升主要源于以下機(jī)制的協(xié)同增強(qiáng)： 水化作用顯著提高了離子電導(dǎo)率，從而增強(qiáng)了傳導(dǎo)損耗；體系中引入的更多水分子大幅提升了極化損耗能力（體現(xiàn)為高介電常數(shù)，且水分子通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)增加了極化界面）；同時(shí)，優(yōu)化后的阻抗匹配（Z值在0.6-1.0之間）使得更多電磁波（EMW）能夠進(jìn)入材料內(nèi)部被吸收，而非在表面反射；此外，材料的衰減常數(shù)(α)也得到顯著提高，進(jìn)一步強(qiáng)化了其內(nèi)部損耗EMW的能力。值得注意的是，該材料展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與可恢復(fù)性。 盡管放置15天后因水分蒸發(fā)導(dǎo)致SET降至44.67 dB，但通過簡(jiǎn)單的重新水合處理即可有效恢復(fù)性能（例如30天后重新水合，其SET仍可恢復(fù)至43.62 dB）。這種優(yōu)異的性能維持能力得益于體系中LiCl固有的高吸濕性，有助于材料在環(huán)境中的水分保持。

圖5. (a) SE_A/SE_T，(b) h-CA-PAM-Li⁺-1.0水凝膠的屏蔽效率，(c)功率系數(shù)，(d) EMI屏蔽水凝膠的性能對(duì)比圖，(e) EMI 屏蔽水凝膠的實(shí)際應(yīng)用，(f) h-CA-PAM-Li⁺水凝膠的 EMI 屏蔽機(jī)理圖

  h-CA-PAM-Li⁺-1.0水凝膠展現(xiàn)超高效吸收主導(dǎo)型電磁屏蔽特性，其吸收效能占比（SE_A/SE_T）>95%，總屏蔽效能（SE_T）達(dá)63.75 dB（SE>99.9999%），且吸收-反射系數(shù)比（A/R）>1.25。在同等厚度下，該材料的SE_T與A/R值顯著優(yōu)于近期報(bào)道的水凝膠/有機(jī)凝膠體系。實(shí)際應(yīng)用中，該材料成功將筆記本電腦輻射場(chǎng)強(qiáng)（61 V/m, 0.61 μT）實(shí)時(shí)抑制至安全閾值（<40 V/m, <0.4 μT）。其卓越性能源于三重協(xié)同損耗機(jī)制。離子電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（Li⁺提升電導(dǎo)率，強(qiáng)化傳導(dǎo)損耗）、極化增強(qiáng)體系（水分子通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)提升偶極/界面極化能力，異質(zhì)界面（PAM/CA/H₂O/Li⁺）優(yōu)化界面極化）及結(jié)構(gòu)耗散路徑（多重反射/散射）。

圖6. (a) h-CA-PAM-Li⁺水凝膠的優(yōu)勢(shì)和靈活的傳感應(yīng)用，(b)拍手，(c)手指敲擊，(e，f)平靜和運(yùn)動(dòng)時(shí)的心跳監(jiān)測(cè)。

  以PDMS薄膜封裝的h-CA-PAM-Li⁺水凝膠作為電極，構(gòu)建了基于摩擦電效應(yīng)和靜電感應(yīng)的單電極模式自供電傳感器，通過接觸-分離運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。該器件在動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試中展現(xiàn)出高靈敏度與快速響應(yīng)特性。手掌拍打和手指敲擊產(chǎn)生的信號(hào)幅度與作用力呈正相關(guān)，且能清晰區(qū)分接觸面積和頻率變化；同時(shí)可穩(wěn)定感知10g至100g靜態(tài)壓力梯度。在生理監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，貼附于人體胸部時(shí)可實(shí)時(shí)捕獲高信噪比心跳信號(hào)（平靜狀態(tài)下呈典型正弦波形），特別在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，通過自適應(yīng)濾波算法仍能有效提取加速心率特征，驗(yàn)證了其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的抗干擾能力。

  本研究通過材料設(shè)計(jì)-機(jī)制調(diào)控-器件集成策略，成功開發(fā)出兼具高效電磁吸收與自供電傳感功能的雙網(wǎng)絡(luò)離子水凝膠（h-CA-PAM-Li⁺），為植入式電子設(shè)備的電磁兼容性問題提供突破性解決方案。該工作為設(shè)計(jì)集電磁防護(hù)、能量收集與生物傳感于一體的先進(jìn)功能材料提供范式，在可穿戴醫(yī)療電子及健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具廣闊應(yīng)用前景。

  【原文信息】

  C. Wang, Y. Ding, T. Wu, Z. Li, C. Hu, Z. Wang, Y. Zhou, X. Lin, W. Zhang, J. Xu, Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics. Adv. Sci. 2025, e09115.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202509115