热、汗与运动：一种用于实时心肺监测的可穿戴水凝胶
由EIN Presswire分发
美国佐治亚州费耶特维尔，2026年2月7日 — 在高强度体力活动期间持续监测心率和呼吸对于早期发现心肺风险至关重要，然而现有的可穿戴设备在高温、高湿度和运动条件下往往失效。
马拉松等耐力运动对心血管和呼吸系统造成极大压力，使得持续生理监测对于预防突发不良事件至关重要。然而，大多数商用可穿戴设备依赖刚性电子元件或与皮肤松散接触，导致在剧烈运动中出现运动伪影、不适感和信号不可靠。导电水凝胶提供了一种有前景的替代方案，因为其柔软、含水的网络结构类似于人类皮肤，并能紧密贴合身体运动。尽管有这一优势，许多基于水凝胶的传感器在暴露于汗液、高温和高湿度环境时，会遭受脱水、信号漂移或细菌生长的问题。这些限制凸显了对能够在炎热、潮湿和机械动态条件下稳定运行的先进可穿戴传感器的需求。
来自西交利物浦大学（Xi'an Jiaotong-Liverpool University）及合作机构的研究人员报告了一种新型基于MXene的水凝胶传感器，能够在极端运动条件下进行稳定的生理监测。该研究于2025年发表在《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊上，描述了一种双网络水凝胶，结合了机械弹性、电气敏感性和抗菌保护。在模拟马拉松环境的高温高湿度条件下，该传感器数小时保持可靠性能，能够准确实时追踪心率和呼吸活动。这项工作为耐力运动中使用的可穿戴传感器长期存在的限制提供了一种基于材料的解决方案。
该传感器由双网络水凝胶构建，包含聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）和氧化纤维素纳米纤维（oxidized cellulose nanofibers），通过导电MXene纳米片和动态硼酸盐交联（dynamic borate crosslinks）增强。这种结构提供了高达800%应变的高拉伸性，同时保持稳定的电信号传输。优化后的水凝胶表现出7.79的灵敏系数（gauge factor），使其能够检测与脉搏波和呼吸过程中胸部运动相关的细微皮肤变形。
关键的是，该水凝胶在38°C和52%相对湿度条件下放置六小时后仍保持超过94%的水分含量，这模拟了耐力运动期间皮肤表面的条件。在长时间暴露过程中，电阻和传感灵敏度保持稳定，克服了水凝胶传感器常见的故障模式。此外，MXene纳米片的加入赋予了强大的抗菌活性，几乎完全抑制了革兰氏阳性菌（Gram-positive bacteria）和革兰氏阴性菌（Gram-negative bacteria），降低了长期皮肤接触的感染风险。
作为概念验证，该传感器被应用于监测不同强度运动中的颈动脉脉搏和呼吸运动。记录的心率和呼吸模式与参考测量值高度吻合，捕捉到随着运动强度增加的心血管线性反应和呼吸的非线性变化。
研究人员指出，耐力运动期间的可靠监测需要在机械变形、出汗和高温同时存在的情况下仍能正常工作的传感器。根据研究团队的说法，这种双网络水凝胶设计通过在一个材料平台上结合水分保持、自修复能力和抗菌保护，解决了这些挑战。他们强调，实时捕获心率和呼吸可以早期识别异常的心肺反应，为运动员、教练和临床医生在长时间或高风险体力活动期间提供有价值的反馈。
这种基于水凝胶的传感器为在传统电子产品失效的环境中进行可穿戴健康监测开辟了新的可能性。除了耐力运动外，该技术还可适用于康复、职业安全以及炎热或潮湿工作场所的持续健康追踪。其类似皮肤的力学特性和抗菌性能也使其适用于长期表皮应用，包括电子皮肤和人机界面。随着进一步发展，此类传感器可以支持热应激、呼吸功能障碍或心血管异常的早期预警系统，为更安全的训练、提高运动表现和更可靠的可穿戴医疗技术做出贡献。
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