《Nature》麻省理工學院趙選賀等團隊：通過氣凝膠的粘彈性相分離制備透氣性水凝膠

水凝膠由親水聚合物網絡和大量水構成，其含水環境、柔軟力學特征以及與生物組織相近的界面性質，使其被廣泛用于創面敷料、組織黏合劑、皮膚電極、接觸鏡、光學波導和超聲耦合等生物醫學界面。對于長期貼附或植入場景，氧氣和二氧化碳等氣體需要在材料、組織與外界之間持續交換；氣體交換不足會造成局部熱量和濕度積聚，并可能影響皮膚屏障狀態、細胞代謝和電生理信號穩定性。

傳統水凝膠的氣體滲透性能受到水相本征性質的限制。按照Fick擴散框架，氣體通量與氣體在介質中的濃度C和擴散系數D共同相關。非極性氣體在極性水介質中的溶解度較低，同時在水相中的擴散速率遠低于氣相，因此常規單相水凝膠的透氣性通常低于40 barrer，并受到接近純水體系理論上限的約束。增加水含量有利于柔軟性、離子傳輸和組織相容性，卻通常進一步削弱非極性氣體的傳輸。

為突破這一上限，既往研究主要引入宏觀或介觀空氣通道，或在材料中構建具有分子級自由體積的疏水相。然而，柔軟空氣通道在受壓、彎折或長期浸潤時容易塌陷或被液體占據；提高第二相比例雖然可改善透氣性，卻會降低材料含水量并改變力學性質。由此形成的“高透氣性—高含水量”矛盾，是水凝膠長期生物醫學應用中的關鍵材料學問題。

成果簡介

近日，麻省理工學院趙選賀、Shucong Li、華南理工大學Xiao-Yun Yan等人借鑒肺部中高含水組織與穩定氣道并存的結構特征，將超疏水二氧化硅氣凝膠顆粒作為可儲存氣相的剛性微結構，再利用VPS在低顆粒體積分數下形成貫通網絡。該研究建立了一種適用于多類水凝膠化學體系的相工程策略。氣凝膠顆粒內部的疏水納米孔道可抑制水侵入，剛性二氧化硅骨架可避免氣相在機械載荷下塌陷；VPS則使顆粒在較低體積分數下形成連續網絡。所得VPS水凝膠在約70 vol%含水量下達到185 barrer氧氣滲透率，較原始水凝膠提高約一個數量級，并超過多種商業皮膚或眼科水凝膠/彈性體產品的名義氧氣滲透率。

該策略可用于PVA、海藻酸鹽、明膠、殼聚糖和瓊脂糖等體系，并可進一步引入電解質、PEDOT:PSS或銀片以獲得離子或電子導電性。材料在彎曲、折疊、卷曲、拉伸和水中浸泡條件下保持結構穩定；在10,000次20%應變循環后，氧氣滲透率僅下降約5%。皮膚佩戴和電生理測試進一步顯示，VPS水凝膠可減少運動過程中的熱量與汗液積聚，并支持連續10天的穩定心電監測。

圖1｜高透氣VPS水凝膠的設計策略與總體性能。

面向高透氣水凝膠的相工程

研究首先選用平均粒徑約8 μm、孔隙率約90%的二氧化硅氣凝膠顆粒，以在水相中引入穩定的高氣體含量微區。顆粒納米孔道表面經過三甲基硅氧基官能化，呈超疏水狀態。水分子進入這些孔道需要克服疏水界面帶來的自由能代價，而剛性二氧化硅骨架則為氣相提供機械支撐，因此液體浸潤和孔道塌陷均受到抑制。乙醇誘導塌陷實驗進一步驗證，較低極性的溶劑能夠破壞該穩定狀態并釋放孔道中的氣體。

為改善氣凝膠顆粒與水相之間的分散穩定性，作者使用Pluronic F-127、PVA和PAA等高分子表面活性劑。其分子量均高于12 kDa，不易進入并堵塞氣凝膠納米孔道；同時，分散介質的較高黏度可減緩低密度氣凝膠顆粒的上浮。所得懸浮體系在制備兩周后未出現明顯宏觀分層，為后續VPS網絡形成提供了穩定初始條件。

常規相分離中，低含量次相通常形成孤立島狀結構，只有當兩相體積分數接近時才容易形成雙連續網絡。本體系中，水相與被高分子穩定的氣凝膠顆粒之間存在顯著動態不對稱性。組分粒徑差異導致遷移時間尺度差異，較慢的氣凝膠富集相在相分離過程中表現出暫態彈性，因而在最終斷裂為孤立團簇之前形成貫通網絡。研究將這一中間結構定義為VPS氣凝膠網絡，并將其作為氣體長程傳輸的核心通道。

VPS氣凝膠網絡的時間演化

作者在2 wt%氣凝膠含量（約11 vol%）下追蹤結構演化。該體積分數明顯低于球形顆粒三維貫通閾值約29 vol%，若采用常規混合方式，顆粒通常僅形成離散區域。光學顯微結果顯示，氣凝膠顆粒由初始均勻分散逐步轉變為網絡狀結構，隨后進一步演化為斷裂的島狀團簇，表明高透氣結構對應的是VPS過程中的特定時間窗口，而非熱力學平衡終態。

微型計算機斷層掃描用于定量解析三維結構。作者根據氣凝膠體素的連通關系計算貫通比例f?，并以歐拉示性數χ表征網絡的環路、連通性和拓撲復雜度。最大連通網絡的體積分數在8 h時達到峰值f?=0.84，χ則經歷由正值向負值最低點再回升的變化，與VPS從分散顆粒、貫通網絡到網絡變細和斷裂的理論演化一致。

通過在不同時間誘導高分子交聯，網絡形貌被固定于水凝膠中。2 wt%氣凝膠體系的氧氣滲透率在0-8 h內提高約40%，8 h達到141 barrer，隨后隨網絡斷裂而下降；4 wt%氣凝膠體系同樣在8 h達到約193 barrer，并在24 h內基本保持穩定。該結果說明，氣體滲透率不僅取決于氣凝膠總含量，更受網絡是否連續以及貫通路徑幾何結構的控制。

圖2｜VPS氣凝膠網絡的形成與時間演化。

VPS水凝膠的制備與性能

在獲得VPS氣凝膠網絡后，作者以不同預凝膠溶液替換網絡中的水相并完成交聯，從而將氣相通道固定在連續水凝膠基體中。以PVA體系為例，在相近約70 vol%含水量下，VPS PVA水凝膠的氧氣滲透率達到153 barrer，而原始PVA水凝膠僅為15.5 barrer。壓縮實驗中，未填充聚合物的氣凝膠網絡會出現液體擠出，完成水凝膠填充后則保持水分，證明水相已被聚合物網絡有效固定。

該制備路線可擴展至海藻酸鹽、瓊脂糖、殼聚糖和明膠等蛋白質或多糖體系。不同VPS水凝膠的氧氣滲透率最高達到185 barrer，顯著高于對應原始水凝膠的15-69 barrer。除氧氣外，VPS PVA水凝膠的水蒸氣透過率也明顯提升，相較硅膠和聚氨酯貼片可提高約10-100倍，說明貫通氣相網絡可同時促進氣體和水蒸氣交換。

低氣凝膠含量使材料仍保持組織相近的柔軟性。2 wt%氣凝膠VPS PVA水凝膠的楊氏模量約為50-100 kPa，與前臂皮膚的典型范圍相當。材料可承受彎曲、折疊、卷曲和拉伸；在20%應變下循環10,000次后，氧氣滲透率僅下降約5%，楊氏模量較首次循環下降12.8%。樣品在水面持續漂浮10天，進一步說明氣凝膠孔道中的氣相在長期浸水條件下仍保持穩定。

VPS網絡還可與導電功能組分協同構建多功能材料。加入氯化鈉后，離子電導率可達到70.8 mS cm?1；加入PEDOT:PSS納米纖維后，電子電導率達到4.42 S cm?1；加入銀片后可達到471 S cm?1。由于導電組分同樣可在VPS形成的連續結構中富集，材料能夠同時維持較高導電性和透氣性，減弱傳統導電水凝膠中兩類性能之間的沖突。

圖3｜VPS水凝膠的制備及綜合性能。

VPS水凝膠的潛在應用

在皮膚貼附場景中，低透氣材料容易造成熱量與汗液積聚。運動測試顯示，受試者在橢圓機運動20 min后，商業硅膠貼片覆蓋區域的皮膚溫度升高約6.5 °C，而VPS水凝膠覆蓋區域溫度降低約1 °C，可能與更高效的熱量和水蒸氣散逸有關。硅膠貼片下出現明顯汗液積聚，VPS水凝膠覆蓋區域則與裸露皮膚更接近。在8-10名受試者的視覺模擬評分中，VPS水凝膠獲得最低不適評分。

為評估較長時間貼附后的皮膚狀態，研究比較了VPS PVA水凝膠和原始PVA水凝膠佩戴24 h后的經皮水分流失（TEWL）與角質層含水水平。移除貼片后，兩項指標均逐漸恢復并在約6 h后趨于穩定；VPS水凝膠組更接近文中設定的健康范圍。由于兩類材料具有相同PVA基體，這一差異主要與VPS網絡引入的氣體和水蒸氣交換能力相關。

在生物電子應用中，作者以離子導電VPS水凝膠替換商業Ag/AgCl電極中的水凝膠層。靜息狀態下，兩類電極均可獲得清晰心電信號；騎行運動過程中，商業水凝膠電極受汗液積聚和界面變化影響，信號噪聲明顯增加，而VPS水凝膠電極在運動前、運動中和運動后均保持較穩定波形，可用于提取心率和Q-T間期。連續10天測試中，電極在工作、運動、睡眠和步行等活動條件下仍可分辨P波、QRS波群和T波。

穩定共存的氣相與水相還賦予材料新的聲學響應。常規水凝膠與水之間的聲阻抗差異較小，水下超聲對比度有限；VPS水凝膠因氣凝膠網絡與水之間存在顯著阻抗失配，可獲得清晰超聲成像，并可在聲場刺激下產生明顯遠程驅動形變。這些結果提示，該材料平臺除皮膚電子和敷料外，還可用于水下成像、聲學驅動和其他需要氣-液軟界面的場景。

圖4｜VPS水凝膠貼附后的生理響應及心電監測性能。

小結

本研究利用VPS在水凝膠內部構建穩定的氣凝膠貫通網絡，從結構和動力學層面突破了常規水凝膠氣體傳輸受限的問題。在保持約70 vol%含水量的同時，材料實現185 barrer氧氣滲透率，并兼具水蒸氣傳輸、柔軟耐久、導電和長期皮膚界面穩定性。其關鍵不在于簡單增加孔隙率，而在于通過動態不對稱性控制次相的空間連通方式。

從應用角度看，該策略為長期可穿戴電極、皮膚敷料、組織工程界面和聲學軟材料提供了可擴展的材料平臺。后續若能進一步整合濕態黏附、無菌制造和規模化加工，并通過更系統的人體與動物驗證，其在連續健康監測和高交換通量生物醫學界面中的應用價值將得到更充分評估。

參考文獻

Yan, X.-Y., Li, S. et al. Air-permeable hydrogels through viscoelastic phase separation of aerogels. Nature 655, 372-380 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10712-3