用于监测海洋生物健康的生物相容性蛋白质/液态金属水凝胶可穿戴电子设备

工程（英文） ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (4) : 228 -237. DOI: 10.1016/j.eng.2024.12.030

研究论文

吴立冬 ^a^,^b^,^c ,
赵锦雪 ^a^,^b^,^c ,
李沅鑫 ^a^,^d ,
秦海洋 ^a^,^b^,^c ,
翟雪静 ^a^,^d ,
李佩仪 ^a^,^b^,^c ,
李洋 ^e ,
刘英楠 ^e ,
陈宁玥 ^f ,
李远 ^f

作者信息 +

Biocompatible Protein/Liquid Metal Hydrogel-Enabled Wearable Electronics for Monitoring Marine Inhabitants’ Health

Lidong Wu ^a^,^b^,^c^,^#^,^* ,
Jinxue Zhao ^a^,^b^,^c^,^# ,
Yuanxin Li ^a^,^d ,
Haiyang Qin ^a^,^b^,^c ,
Xuejing Zhai ^a^,^d ,
Peiyi Li ^a^,^b^,^c ,
Yang Li ^e ,
Yingnan Liu ^e ,
Ningyue Chen ^f ,
Yuan Li ^f ,

Author information +

文章历史 +

Received	Accepted	Published
2024-06-25	2024-12-30
Issue Date
2025-04-21

PDF (12318K)

摘要

考虑到可穿戴电子设备在生物相容性医疗设备、人造皮肤、人形机器人和其他领域的潜在应用，结合生物相容性蛋白质的可穿戴电子设备引起了广泛的研究关注。然而，目前许多可穿戴电子设备由于生物不相容以及机械和导电性能不足等问题而面临显著挑战。为此，我们通过掺入液态金属（LM，共晶镓铟合金）开发了一种混合角蛋白（KE）水凝胶，以设计一种具有优异生物相容性、增强导电性和良好机械性能的可穿戴电子设备。所得角蛋白液态金属（KELM）水凝胶具有良好的机械特性，包括良好的抗拉强度（166 kPa）、令人印象深刻的可拉伸性（2600%）和长期稳定性。此外，它还具有良好的导电性（6.84 S∙m^-1）和作为传感材料的高灵敏度[应变系数（GF）= 7.03]，使其适用于构建高性能应变传感器。值得注意的是，基于KELM水凝胶的可穿戴电子设备还将功能扩展到监测海洋生物的健康领域。这一创新应用为设计下一代仿生电子设备提供了新的见解，在人机界面、电子皮肤、人工智能和健康监测方面也具有潜在的应用。

Abstract

Wearable electronics incorporating proteins for biocompatibility have garnered significant research attention, given their potential applications in biocompatible medical devices, artificial skin, humanoid robots, and other fields. However, a notable challenge exists, as many wearable electronics currently lack those essential properties due to issues such as non-biological compatibility, as well as insufficient mechanical and conductive performance. Here, we have developed a hybrid keratin (KE) hydrogel by incorporating a liquid metal (LM, eutectic gallium-indium alloy) to design a wearable electronic device with excellent biocompatibility, enhanced conductivity, and good mechanical properties. The resulting keratin liquid metal (KELM) hydrogel demonstrates favorable mechanical characteristics, including good tensile strength (166 kPa), impressive stretchability (2600%), and long-term stability. Furthermore, it exhibits good conductivity (6.84 S∙m⁻¹) and sensitivity as a sensing material (gauge factor (GF) = 7.03), rendering it suitable for constructing high-performance strain sensors. Notably, the KELM hydrogel-based wearable electronics extend their functionality to monitoring marine inhabitants’ health. This innovative application provides new insights for designing the next generation of biomimetic electronic devices, with potential applications in human-machine interfaces, electronic skin, artificial intelligence, and health monitoring.

关键词

海洋生物健康 / 水产养殖 / 角蛋白水凝胶 / 液态金属 / 可穿戴电子设备

Key words

Marine inhabitants health / Aquaculture / Keratin hydrogel / Liquid metal / Wearable electronics

Highlight

• The KELM hydrogel exhibits high sensitivity, high elongation and remarkable shape-memory properties.

• The strain sensor exhibits the lowest detection limit (0.5 mm, 1% stretch).

• The strain sensor successfully monitors the traceable heartbeat of scallops.

• The KELM hydrogel expands the preparation strategies of protein hydrogels.

引用本文

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Lidong Wu,Jinxue Zhao,Yuanxin Li,Haiyang Qin,Xuejing Zhai,Peiyi Li,Yang Li,Yingnan Liu,Ningyue Chen,Yuan Li,吴立冬,赵锦雪,李沅鑫,秦海洋,翟雪静,李佩仪,李洋,刘英楠,陈宁玥,李远. 用于监测海洋生物健康的生物相容性蛋白质/液态金属水凝胶可穿戴电子设备[J]. 工程（英文）, 2025, 47(4): 228-237 DOI:10.1016/j.eng.2024.12.030

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1 引言

监测海洋生物的健康和迁徙对人类具有极其重要的意义，它在维持海洋生态系统平衡、推动气候变化研究、保障人类健康与安全以及保护生物多样性方面发挥着关键作用[1‒4]。因此，这推动了水生动物可穿戴传感器的快速发展[5]，如利用可穿戴的电阻弯曲传感器来监测水下动物的移动速度[6]。为水生生物设计的传感器必须具备强大的附着力和生物相容性。与人类不同，海洋生物的皮肤更加光滑、湿润，并且常常通过快速且明显的形变以除去附着物[7‒8]。此外，海洋环境对黏附性能产生影响并加速物质扩散。因此，开发具有强黏附性和优异生物相容性的柔性器件是海洋生物传感技术的关键，这确保了传感器能够牢固地黏附在皮肤或其他表面，从而获取可靠且稳定的信号。此外，高灵敏度（通过应变系数评估）是至关重要的，应变系数定义为输出信号的相对变化与施加应变的比值[9]。高灵敏度对监测生物信号（如心跳、呼吸和运动）至关重要，因为它决定了器件检测细微生理变化的能力[10]。

海洋生态环境复杂多变，直接影响海洋生物的活动水平和代谢速率。例如，扇贝等生物代谢率较低，心脏结构不明显，其心率变化缓慢且幅度较小，这需要传感器能感知更小的应变[11‒13]。因此，开发适用于海洋生物且具备更广泛应用的传感器，需要更高的应变系数（GF）。为了检测海洋生物，研究人员探索了多种材料[14‒20]。其中，水凝胶具有良好的可拉伸性，并具有柔软、湿润的特性，在柔性电子领域展现出巨大的应用潜力[21‒23]。为了增强水凝胶的生物相容性、提高附着力并减少水凝胶在传感器应用中的细胞毒性，研究人员常常将天然蛋白质（如丝素蛋白[24‒26]、胶原蛋白[27]、牛血清白蛋白[28]和谷蛋白[29]）作为构建水凝胶网络的基本成分。然而，天然蛋白质水凝胶传感器通常表现出低导电性、较差的机械强度和不足的自我恢复能力[30]。为了解决这些挑战，已有一些研究尝试进行改进。例如，Roshanbinfar等[31]通过引入金纳米颗粒（AuNPs）来提高胶原蛋白水凝胶的导电性；Xu等[32]通过利用丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）之间的相互作用形成交联网络，以提高机械强度。然而，增强蛋白质水凝胶的结构稳定性和机械性能通常需要增加交联密度，这可能会降低其灵敏度[33‒35]。此外，导电填料（碳纳米管、石墨烯和银纳米线）在蛋白质水凝胶中容易发生聚集现象[36‒37]。

为了克服这些挑战，我们设计了一种新型的传感材料，将天然蛋白质（角蛋白，KE）与液态金属（LM）结合。角蛋白是一种广泛分布于羽毛和羊毛等组织中的蛋白质[图1（a）]。它主要由含硫氨基酸组成，如半胱氨酸和蛋氨酸，这些氨基酸通过氢键和二硫键形成交联。角蛋白还含有丰富的游离巯基[38‒40]，能够与金属形成巯基-金属配位相互作用[41]。利用这些相互作用，我们引入液态金属作为导电填料，以增强蛋白质水凝胶的导电性。低熔点镓铟合金（EGaIn）因其良好的可变形性和导电性而被用来改善柔性材料的机械性能[42]。它与巯基配体的相互作用使得EGaIn能够嵌入蛋白质网络中，进一步提升材料的机械和电学性能[43‒45]。

因此，我们选择了KE和LM，因为它们具有良好的柔性和可变形性，并通过巯基实现了LM与KE的有效结合。这种LM/KE复合溶液可用来制备角蛋白液态金属（KELM）水凝胶，从而解决了蛋白质水凝胶中机械强度低和导电性差的问题。此外，蛋白质二级结构的亚稳态特性使得角蛋白的α-螺旋和β-折叠结构能够经历可逆或不可逆的转变，赋予了其形状记忆特性[46]。我们的研究表明，KELM水凝胶展现出高生物相容性和极低的细胞毒性，并通过人类表皮角质形成细胞（HACAT）细胞系的增殖实验得到了验证。这一方法不仅有效克服了导电填料聚集的常见问题，还融合了形状记忆功能。因此，KELM水凝胶能够监测无脊椎水生动物细微的心跳活动，并检测水生脊椎动物的心跳和持续的尾部运动。此外，它还能够区分不同水生生物的心跳模式，如大鲵、鲟鱼和扇贝，为及时且准确地评估水生生物的健康状况提供了一种可靠的方法。

2 材料与方法

2.1 材料

KE购自西安木果生物科技有限公司。LM [EGaIn，镓（Ga）含量为75.5 wt%，铟（In）含量为24.5 wt%，≥ 99.99%]、丙烯酰胺（AM, ≥ 99%）、N,N'-二甲基双丙烯酰胺（BIS, 99%）、过硫酸铵（APS, ≥ 98%）和N,N,N',N'-四甲基乙烯二胺（TEMED, 99%）均购自Sigma Aldrich（美国）。

2.2 KELM水凝胶的制备

KELM水凝胶的制备过程是将LM分散在5%的KE溶液中，然后在冰浴中超声处理30 min，以获得均匀的LM/KE悬浮液。将2 mL 50 wt%的AM、500 µL 0.2 mol∙L^-1 APS、350 µL 0.2 wt%的BIS和10 µL TEMED快速混合，随后与1.2 mL LM/KE溶液混合，并注入模具中。得到的KELM水凝胶存放在4 ℃的冰箱中。KELM水凝胶是通过不同质量比的LM与KE制备的，质量比分别为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30。详细的配方见附录A中的表S1。为便于比较，未加入LM/KE悬浮液的聚丙烯酰胺水凝胶（PAM）作为空白对照组制备，此外，未使用LM的KE水凝胶也采用相同方法制备。

2.3 表征

本研究中使用了扫描电子显微镜（SEM, ZEISS sigma500; Zeiss，德国）、透射电子显微镜（TEM, JEM-2100F; JEOL，日本）、力学试验机（ZQ-990L；智趣仪器）、电感电容电阻（LCR）表（E4980AL; Keysight，美国）、X射线光电子能谱（XPS, Thermo Scientific，美国）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（岛津，日本）、共聚焦激光扫描显微镜（STELLARIS STED; Leica，德国）、超声清洗机（PS-20A；新芝）、动态光散射仪（DLS, Zetasizer Nano ZS90; Malvern Instruments，英国）、真空冷冻干燥机（X0-18S；先欧）、流式细胞仪（F1325；贝克曼，美国）、酶标仪（SuPerMax 3100; Flash）和智能手机（P60；华为）等设备。

2.4 机械测试

水凝胶的拉伸性能使用力学试验机在室温下进行测试。水凝胶的尺寸为30 mm × 10 mm × 2 mm，拉伸速度为100 mm∙min^-1。水凝胶的稳定性通过进行100次重复循环测试来评估。

2.5 电学测试

在不同应变、压缩和疲劳耐受性下，水凝胶的电阻信号变化通过力学试验机和LCR仪器进行评估。本文测试了水凝胶的响应时间和电学性能，并通过以下公式计算导电率（S∙m^-1）：

σ = L / (R × S)

（1）

式中，

σ

表示导电率（S∙m^-1）；L表示测试电极之间的距离（m）；R是水凝胶的电阻（Ω）；S是水凝胶的横截面积（m²）。水凝胶的灵敏度通常通过GF表示，GF的计算公式如下：

G F = (Δ R / R 0) / ε

（2）

式中，R₀是初始电阻；ΔR是电阻变化（ΔR = R - R₀）；ε是施加的应变。

2.6 黏附测试

拉伸黏附测试在均匀尺寸的水凝胶（2 mm × 15 mm × 15 mm）上进行，以测量在不同基材上的黏附强度。测试在拉伸模式下以300 mm∙min^-1的速度进行，基材包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、橡胶和猪皮，均被切割成40 mm × 20 mm的矩形。δ的计算公式为：

δ = F / S

（3）

式中，δ是剪切强度（kPa）；F是最大剪切力（N）。

2.7 生物相容性测试

为了评估水凝胶对HACAT细胞的细胞毒性，我们采用细胞计数试剂盒-8（CCK-8）法评估细胞活力和材料生物相容性。将直径为14 mm的水凝胶放置在24孔板的底部，细胞以1 × 10⁵ 个·孔^-1的密度接种。培养在载玻片上的细胞作为对照组。培养24 h后，培养基更换为含10% CCK-8试剂的新鲜培养基，然后在37 ℃下继续培养3 h。将24孔板中的培养基（每孔100 μL）转移至96孔板，并使用酶标仪记录450 nm处的吸光度。细胞凋亡通过流式细胞术评估。收集的细胞使用异硫氰酸荧光素（FITC）标记的膜联蛋白（Annexin）V和碘化丙啶（PI）染色，采用凋亡检测试剂盒（40302ES60；翌圣生物公司）。通过流式细胞术检测早期凋亡（FITC-annexin V⁺/PI^-细胞）和晚期凋亡细胞。

为了进一步评估生物相容性，我们还观察了细胞形态。在培养5天后，细胞用4%的多聚甲醛固定30 min，再用0.1% Triton X-100渗透15 min。随后，用3%牛血清白蛋白（BSA）封闭30 min，并用FITC标记的小麦胚芽凝集素（WGA）染色，以可视化细胞膜。细胞核使用4',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）染色。染色后的细胞在共聚焦激光扫描显微镜下观察。

3 结果与讨论

3.1 KE分散的LM悬浮液及KELM水凝胶的制备

图1（a）展示了将LM与5% KE溶液混合并进行超声处理的过程，最终形成了均匀分散的LM/KE溶液，如附录A中的图S1所示。我们评估了几种分散剂在分散LM方面的效果，具体如商用表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）[47]和透明质酸（HA）[48]，结果如附录A中的图S2所示。经过24 h的超声处理后，LM纳米颗粒在SDS和HA分散液中聚集并沉淀在底部。相比之下，LM/KE溶液保持了相对均匀的状态，表明KE分散的LM在分散性上优于SDS和HA。LM/KE纳米颗粒被用作高性能KELM水凝胶中的导电填料，并将硫醇-金属配位和氢键引入网络结构中[图1（b）]。硫醇化配体有效地结合到EGaIn界面，TEM图像显示KE附着在LM颗粒上[图1（c-i）和（c-ii）]。元素映射分析证实了LM中的Ga和KE中的硫（S）的存在（附录A中的图S3）。粒径分析显示，LM/KE的尺寸大于LM [附录A中的图S4（a）]。LM的zeta电位为-26.4 mV，而LM/KE的zeta电位为-2.16 mV，表明KE正电荷结合在LM表面[附录A中的图S4（b）]。这些结果证实了硫醇化KE与LM的成功配位。

S 2p区域的XPS分析证实了—SH基团与EGaIn的配位，KELM水凝胶中在160.8 eV和161.18 eV处显示出S—Ga键[49]，而KE水凝胶中则在162.84 eV和164.14 eV处显示出S—Ga键，表明EGaIn—SH键的成功形成（附录A中的图S5）。如附录A中的图S6所示，KELM水凝胶的元素映射表明KE通过—SH基团结合到LM表面。此外，FTIR分析显示，拉伸振动峰出现在3346 cm^-1和3181 cm^-1处，表明KELM水凝胶中形成了氢键（附录A中的图S7）。EGaIn与水凝胶网络的结合增强了其机械和电学性能，实现了高达7.03的GF，超过了之前报道的含有丝素蛋白、铁蛋白、谷蛋白和抗冻蛋白的水凝胶[图1（e）及附录A中的表S2]。

3.2 KELM水凝胶的机械性能和黏附性能

本文制备的KELM水凝胶表现出高塑性，能够成型为复杂的图案[图2（a）]。高含水量对于保持水凝胶的机械柔韧性至关重要。不同配比的KELM水凝胶均保持了约70%的含水量[图2（b）]。由于其高含水量以及LM/KE的加入，水凝胶表现出超软特性，并且可以轻松用手拉伸[图2（c）]。KELM水凝胶机械性能的增强可以通过以下机制解释[图2（d）]：拉伸导致KE链伸展和延长[46]，从而提高了水凝胶在外力作用下的变形能力。同时，附着在KE链上的LM纳米颗粒以其高柔韧性和拉伸性著称，进一步增强了水凝胶的柔软性和延展性。

通过调节LM与KE的质量比，KELM水凝胶在韧性方面的性能实现显著提升，并通过拉伸测试完成进一步评估。如图2（e）所示，由于KE中丰富的氢键增强了其机械性能，KE水凝胶表现出优于PAM水凝胶的拉伸性能。增加EGaIn的含量进一步改善了机械性能，KELM水凝胶的拉伸性能随着LM纳米颗粒与蛋白质比例的增加而逐步提升（附录A中的图S8）。当LM与KE的质量比为0.30时，最大拉伸应力和断裂伸长率分别从92.29 kPa和1764%增加到165.89 kPa和2567%。此外，在100%应变下对KELM水凝胶进行了10次连续的加载-卸载循环测试[图2（f）]。结果显示，KELM水凝胶在拉伸和释放循环中表现出一致的滞后回线和稳定的机械性能。

KELM水凝胶的另一个显著优势是其强大的黏附能力。提高可穿戴电子设备对人体皮肤或假体的黏附性对于应变传感器的共形附着、避免大变形下的界面分层以及确保精确监测至关重要。我们通过拉伸-剪切黏附测试评估了KELM水凝胶在PI、PET、橡胶和猪皮上的黏附强度，测得的强度分别约为14.61 kPa、17.23 kPa、37.18 kPa和5.16 kPa [图2（g）]。这种良好的黏附性能在多种基材上均表现明显，包括有机材料（聚氯乙烯和木材）、无机材料（铝和玻璃）以及生物表面（贝壳和蜗牛壳），如附录A中的图S9所示。KELM水凝胶表现出优异的水下黏附性，能够牢固地黏附质量约为50 g的物体[图2（h）]，并在不滑动的情况下保持稳定的附着（附录A中的视频S1）。这种强黏附性源于水解KE中丰富的氨基酸，这些氨基酸提供了大量的氨基和羧基，通过氢键和金属螯合等物理相互作用实现黏附[50]。综上，KELM水凝胶柔软、可拉伸且机械性能稳定，与天然皮肤非常相似，非常适合用于可穿戴传感器应用。

3.3 KELM水凝胶的生物相容性

除了可拉伸性和黏附性等基本特性外，高性能的可穿戴传感器还必须具备生物相容性。KELM水凝胶的生物相容性归功于其KE蛋白成分。如图3（a）所示，KELM水凝胶能够很好地黏附在手腕皮肤上，且不会引起皮肤过敏等不良反应。将其应用于水生动物[如鲟鱼，图3（b）]时，也未观察到残留、肿胀或过敏反应。

为了进一步评估生物相容性，我们对HACAT细胞进行了细胞毒性测试，并评估了细胞增殖、活力和凋亡情况。图3（c）显示，实验组的细胞增殖与对照组相当，表明KELM水凝胶无毒性。这种生物相容性主要归因于KE蛋白。此外，细胞凋亡分析[图3（d）和（e）]表明，超过90%的细胞存活（左下象限）。尽管存在早期凋亡（右下象限）、晚期凋亡（左上象限）和坏死（右上象限）的细胞，但它们比例极低且与对照组相似，进一步证实了水凝胶优异的细胞相容性。

为了更直观地评估细胞存活情况，我们对在水凝胶上培养的HACAT细胞进行了免疫荧光染色[图3（f）]。KELM水凝胶上的细胞显示出正常的形态（绿色）和完整的细胞核结构（蓝色），与对照组相当，表明其具有优异的生物相容性。这些结果充分表明，KELM水凝胶表现出良好的细胞相容性，使其成为电子皮肤、植入式设备和其他生物医学应用的理想候选材料。

3.4 KELM水凝胶传感器的传感性能

水凝胶的电学性能对其作为应变传感器的表现至关重要。LM的加入显著提高了KELM水凝胶的导电性。如附录A中的图S10所示，与KE水凝胶点亮的发光二极管（LED）灯泡相比，KELM水凝胶点亮的LED灯泡亮度更高，这反映了LM加入会提高电导率[图4（a）]。电导率随LM与KE比例的增加而提高，在比例为0.30时达到6.84 S∙m^-1（附录A中的图S11）。此外，随着水凝胶的拉伸，LED亮度逐渐降低（附录A中的图S12）。高导电性使基于KELM水凝胶的应变传感器具有优异的灵敏度和可靠性。

本文通过监测拉伸和释放循环中的电阻变化，评估了KELM水凝胶的应变灵敏度。如图4（b）所示，电阻在拉伸过程中增加，在释放过程中减少，且无明显延迟，这表明水凝胶的电学稳定性源于其弹性网络特性。水凝胶表现出快速的响应性能，拉伸时为240 ms，恢复时为200 ms [图4（c）]。在连续的拉伸-释放循环中，电阻随应变线性增加[图4（d）]。附录A中的图S13展示了水凝胶传感器在不同应变下的相对电阻变化（ΔR/R₀）和灵敏度。在0~150%的应变范围内，ΔR/R₀线性增加，GF为2.50；当应变超过150%时，ΔR/R₀急剧上升，GF从2.50增加到7.03（150%~600%），表明其在宽应变范围内具有高灵敏度。鉴于人类真皮的变形范围在0~75%之间，这种水凝胶非常适合用于类皮肤传感器以监测人体运动。水凝胶传感器还表现出优异的抗疲劳性能，在50%应变的100次循环后仍保持稳定的响应[图4（e）]，证实了其稳定性和可恢复的传感能力。

KELM水凝胶的稳定性还通过其形状记忆特性得到了进一步证明。这种形状记忆效应归因于KE蛋白分子的固有特性以及水凝胶的结构。KE是一种结构复杂的蛋白质，其分子框架中含有大量的α-螺旋结构。这些α-螺旋结构赋予KE高柔韧性和可延展性，使其在外力作用下能够发生可逆变形[46]。氢键网络作为一种锁定机制，能够稳定水凝胶的变形形状。在外力拉伸过程中，KE的α-螺旋结构展开并转变为β-折叠结构。随后，通过加热将水凝胶固定在这种新的稳定构型中。再水化时，β-折叠中的分子间氢键被破坏，使KE分子恢复为原始的α-螺旋结构，从而使水凝胶恢复到初始形状[图4（f）]。

将KELM水凝胶包裹在离心管上并加热至干燥，水凝胶被锁定为固定的螺旋形状，从而失去柔韧性。随后，向水凝胶喷洒去离子水可使其迅速恢复到原始的可拉伸和柔软状态[图4（g）]。此外，如附录A中的图S14所示，将条状KELM水凝胶拉伸并干燥后，其拉伸形状被固定。将其浸入去离子水中后，水凝胶收缩并几乎恢复到原始长度（附录A中的视频S2和图S15）。这种形状记忆特性使KELM水凝胶能够在外力变形后快速自动恢复原始形状。形状记忆水凝胶可用于开发柔性传感器，使其在观测过程中能够适应各种表面形貌（如鱼皮）。水凝胶传感器在外力或环境变化引起变形后恢复原始形状的能力，确保了其长期稳定性、可重复使用性以及一致的灵敏度。

3.5 KELM水凝胶传感器的心跳监测

监测水生动物的心跳对于评估其生理状态和整体健康至关重要。准确且及时的心跳监测对于水生物种的健康评估和疾病追踪具有重要意义。KELM水凝胶凭借其仿生机械性能、强黏附性、稳定的导电性和优异的灵敏度，可作为一种仿生皮肤传感器，在水生动物心跳监测方面具有显著潜力。

如图5（a）所示，KELM水凝胶传感器被应用于扇贝等无脊椎动物、鲟鱼等脊椎动物以及大鲵等两栖动物。这些传感器能够追踪心跳状态，并通过蓝牙将电阻信号无线传输到手机或电脑。尽管存在轻微的变形（5%、2.5%和1%），传感器仍能可靠地输出正常信号[图5（b）]，并在运动过程中检测到细微的变化。水凝胶的柔软结构和强黏附性使其能够很好地贴合心脏表面，确保稳定的附着。

在附录A中的图S16中，研究人员使用手术工具暴露了大鲵心脏的前表面。尽管如此，心脏仍然持续跳动（附录A中的视频S3）。将应变传感器放置在心脏表面，并连接到LCR仪以进行实时监测[图5（c）]。KELM水凝胶传感器还可连接到多功能无线印刷电路板，通过蓝牙将信号传输到手机，从而可以清晰地观察鲟鱼的心跳（附录A中的视频S4）。这种设置具有高度的便携性和灵活性，便于数据的采集、处理和存储。

KELM水凝胶由于心跳引起的拉伸而产生的相对电阻变化，使其能够实时监测多种水生动物，包括扇贝、鲟鱼和大鲵[图5（d）~（f）]。此外，KELM水凝胶传感器还能监测鲟鱼的显著尾部摆动（附录A中的图S17）以及人体的各种运动（附录A中的图S18），提供关于手腕、手指和膝盖弯曲等肢体运动的电子反馈。因此，仿生皮肤水凝胶传感器是一种有前景的可穿戴设备，可用于监测水生动物的运动，支持及时的医疗诊断和个人健康监测。

本研究中，对扇贝等软体动物的心跳监测采用了非侵入性方法。这种方法不仅能够有效收集生理数据，还能减少对动物的干扰。然而，对于脊椎类水生动物，心跳监测需要采用侵入性方法。监测过程中涉及的手术操作可能会干扰这些动物的生理状态。为了解决这一问题，未来的研究应致力于开发微创安装技术（如利用纳米级或微米级设备），以最小化切口并减少对生物样本的干扰。此外，改善术后恢复环境可以显著减轻动物的生理压力，帮助它们更快地恢复至正常状态。同时，为了实现更精确的行为监测，我们将通过使用多个传感器阵列来增加监测的维度，以收集更详细的信息。这种多维数据收集方法将有助于更全面地了解水生动物的生理状态和行为模式。此外，后续的数据处理和分析也需要进一步优化，以提高数据的准确性和可靠性，从而支持更深入的生物学研究。

4 结论

总之，通过将富含半胱氨酸的KE与LM结合并构建生物相容性水凝胶，我们有效解决了传统蛋白质水凝胶在机械性能和导电性方面的局限性。KELM水凝胶表现出良好的机械性能，包括超高的拉伸强度和2600%的断裂伸长率，同时在拉伸-释放循环中保持稳定性。其强黏附性使其能够广泛应用于各种基材，包括人体皮肤和生物组织。值得注意的是，这种类皮肤水凝胶在广泛的压力和应变范围内表现出高灵敏度（GF = 7.03）、耐久性、快速响应和优异的形状记忆特性，使其适用于监测水生动物的心跳。综上所述，KELM水凝胶结合了优异的机械和导电性能以及多样化的应用潜力，为柔性电子、医疗监测和可穿戴设备提供了广阔的发展前景。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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