中国学者一作兼通讯Nature：开发“能呼吸”的水凝胶，人体应用更安全舒适丨已回国加入华南理工大学

发布时间：2026-07-10来源：生物世界

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

水凝胶（Hydrogel）被广泛用于生物医学界面，在此类应用中，富水环境内有效的气体交换（例如 O₂、CO₂）至关重要。然而，由于非极性气体在极性的水介质中的气体浓度（C）和扩散系数（D）较低，水凝胶本质上表现出有限的气体交换效率。

这一限制给水凝胶的长期应用（例如可穿戴健康监测设备和组织工程）带来了显著瓶颈。此外，现有的增强水凝胶透气性的方法存在稳健性差和/或透气性与含水量之间存在固有权衡的问题。

2026 年 7 月日，麻省理工学院赵选贺教授团队（严笑云、李姝聪为论文共同第一作者兼共同通讯作者），在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为：Air-permeable hydrogels through viscoelastic phase separation of aerogels 的研究论文，严笑云博士现为华南理工大学教授，李姝聪博士现为佐治亚理工学院助理教授。

该研究提出了一种基于粘弹性相分离（Viscoelastic Phase Separation，VPS）的策略，在高含水量水凝胶中构建非塌陷的气体富集网络，在含水量为 70 vol% 的条件下实现了高达 185 barrer 的创纪录氧气透过率，相较于原始水凝胶提高了 10 倍。这种高含水量与高透气性的独特结合，使 VPS 水凝胶成为多种生物医学应用的理想选择，尤其适用于需要高效气体交换和湿润环境的场景。研究团队进一步验证了其在人体皮肤表面长期使用中能够防止液体积聚、维持皮肤健康，还具有优异的佩戴舒适性，有望推动医疗健康监测可穿戴设备从每日监测转变为持续的每周监测模式。

活体组织需要呼吸。然而，随着水凝胶越来越多地被用作组织与设备或环境之间的界面，例如敷料、密封剂、电极、透镜、波导和耦合剂，但它们通常表现出较低的透气性（<40 barrer）。

水凝胶的低透气性，本质上是受到水中气体浓度（C）和扩散系数（D）远低于气相中相应值的限制。因此，传统单相水凝胶的透气性被纯水中的理论透气极限所制约。为了突破这一限制，必须引入第二相——即由宏观/介观尺度的空气通道或具有分子级自由体积的材料构成。然而，水凝胶中这些柔性的空气通道容易塌陷或积聚水分，导致实际使用过程中透气性显著下降。此外，实现高透气性需要较高的第二相体积分数，从而在透气性和含水量之间形成固有的权衡关系。这种权衡促使当前基于水凝胶的材料设计趋向于低含水量、超薄结构或主动产氧机制，而这些设计均要求高效的气体交换能力。

在这项最新研究中，研究团队提出了一种自下而上的相工程策略，受人类肺部结构的启发，在水凝胶中构建出低体积分数但具有超稳定性（机械和热力学稳定）的气体富集网络。尽管肺由约 80% 的水组成，但其气管系统通过软骨提供机械支撑，并由疏水层实现化学功能化，从而能够每分钟交换数升空气。

为模拟这一结构，研究团队首先在水介质中稳定气体富集的气凝胶颗粒，以提供足够高的气体浓度（C），然后诱导粘弹性相分离（VPS），使气凝胶颗粒形成渗流网络，从而在极低的体积分数（低于 15 vol%）下仍确保高扩散率（D）。这一设计使工程化的 VPS 水凝胶的透气性相较于传统水凝胶最高提升 10 倍，且尽管其含水量高得多，性能仍超越最先进的硅基水凝胶——在含水量为 70 vol% 的条件下实现了高达 185 barrer 的创纪录氧气透过率。此外，该策略适用于多种水凝胶材料，包括合成型、蛋白质基和多糖基水凝胶。

该研究制备的 VPS 水凝胶，因其高透气性、易于加工以及良好的生物相容性，在生物医学应用中展现出巨大潜力。与用于皮肤表面或眼部的商用产品（例如 3M Tegaderm 薄膜、DynaDerm 水合胶贴片、3M 心电图电极、3M 水凝胶填充剂等等）相比，VPS 水凝胶的标称氧渗透率高出 4 倍以上。此外，自下而上的 VPS 策略可轻松整合多种加工工艺和不同形态，便于制备成大面积平板、封装贴片和微纹理薄膜。进一步研究表明，VPS 水凝胶条件培养基的体外生物相容性与对照培养基相当：在 24 小时培养后的 NIH 3T3 成纤维细胞系以及 7 天培养后的 BALB/c 3T3 小鼠胚胎成纤维细胞系均未表现出明显的细胞活力下降。

对于皮肤表面应用而言，材料的低氧气和水汽透过性常会导致热量和湿气积聚，在佩戴过程中引起不适，甚至引发严重的皮肤问题。而 VPS 水凝胶优异的空气和水汽透过性可提供卓越的舒适感，使其适用于可穿戴设备和表皮敷料等应用。为验证这一点，研究团队比较了佩戴 VPS 水凝胶贴片与市售硅胶贴片在运动期间及运动后的舒适度。在椭圆机上锻炼 20 分钟后进行红外成像显示，硅胶贴片下方皮肤温度上升了 6.5 °C，而 VPS 水凝胶贴片下方皮肤温度则下降约 1 °C，这可能是由于其更好的散热性能所致。此外，硅胶贴片下方观察到明显的汗液积聚，而 VPS 水凝胶贴片下方皮肤则与裸露皮肤相似。研究团队还让 10 名受试者在持续 1 小时的中等强度运动期间将 VPS 水凝胶贴于胸部。所有参与者均未报告出现皮肤不良反应（例如瘙痒或刺激）。此外，与市售硅胶贴片、水凝胶贴片及水凝胶填充剂相比，VPS 水凝胶在舒适度方面得分最高。

为进一步评估 VPS 水凝胶在长期生物医学应用中的潜力，研究团队进行了长达 10 天的持续心电图（ECG）监测。结果显示，由于其低皮肤接触阻抗、低皮肤刺激性、良好的抗脱水能力，以及在长时间贴肤使用过程中保持稳定的透气性，基于 VPS 水凝胶的电极在整个监测期间始终提供了可靠的心电信号。

研究团队还对 VPS 水凝胶本身进行了测试，结果显示，经过 10000 次拉伸和压缩循环后，其保留了原有的空气通道网络，保持了良好的透气性——氧气透过率下降不到 5%。

总的来说，上述实验结果证实了基于 VPS 的高透气性水凝胶在防止液体积聚、维持皮肤健康方面的有效性以及使用舒适性，为水凝胶在需要高效、持续气体交换的长期生物医学应用中铺平了道路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10712-3

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