东南大学刘宏、雷周玥团队在Nature Communications发表机械-离子皮肤研究成果

近日，东南大学生物科学与医学工程学院、数字医学工程全国重点实验室刘宏、雷周玥团队联合东华大学等单位，在《Nature Communications》发表题为“A unified mechano-ionic skin for resolving native electromechanical coupling”的研究论文（DOI：10.1038/s41467-026-76620-2）。研究团队构建了一种兼具生物电传导与机械信号换能能力的机械-离子皮肤，通过同一材料界面实现心电与脉搏波的一体化感知，为可穿戴心血管多模态监测提供了新的材料设计思路。

心脏电兴奋触发心肌收缩并驱动动脉脉搏传播，构成连续的电—机械过程，其逐搏时序关系蕴含重要的血流动力学信息。现有可穿戴系统通常采用不同类型的传感器分别采集心电和外周脉搏，在提取脉搏到达时间等时序参数时，需要保证不同传感通道之间的精确同步。针对这一问题，研究团队提出从材料层面融合两类感知功能，使同一种软离子材料既能够传导人体生物电信号，又能够将微弱机械压力直接转换为电信号。

实现这一功能的关键在于调控材料内部的离子动力学（图1）。研究团队在分子尺度通过选择性限制阳离子运动，增大阴、阳离子的运动差异；同时利用微尖端结构放大局部压力梯度，从而协同增强压力驱动的离子定向重分布。核磁共振表征与有限元模拟分别揭示了离子运动不对称性和局部压力梯度增强效应。在多尺度协同作用下，材料的表观压离子灵敏度达到1071 mV kPa⁻¹，较已报道的先进压离子材料高两个数量级以上，同时保持良好的离子导电能力。当其贴附于桡动脉区域时，可在同一材料界面和采集通路中同时获取心电图与动脉脉搏波，形成具有逐搏时间对应关系的复合信号，并直接提取脉搏到达时间等心血管时序信息。

图1｜机械-离子皮肤的设计原理与离子动力学调控。

研究团队进一步将机械-离子皮肤集成于柔性腕带，并开展人体心血管监测验证（图2）。系统能够追踪逐搏血压变化，并结合复合波形特征和深度学习模型，对多项血流动力学参数进行估计。与连续血流动力学参考设备的同步对照显示出较好一致性；24小时分时监测、多日重复测量以及运动恢复实验进一步验证了系统对动态心血管状态变化的跟踪能力。

图2｜机械-离子皮肤实现心电与脉搏波一体化感知及心血管监测。

该研究将传统依赖不同器件组合实现的多模态检测进一步推进到材料层面的功能融合。通过调控软材料内部的离子动力学，使同一种材料同时承担生物电传导与机械感知功能，为构建更紧密耦合的生物电子界面及连续心血管监测系统提供了新的研究思路。

东南大学至善博士后马标、东华大学硕士研究生詹衡、东南大学硕士研究生邓浩然和路博为论文共同第一作者，雷周玥研究员、刘宏研究员为共同通讯作者。东南大学生物科学与医学工程学院、数字医学工程全国重点实验室为论文第一署名单位。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76620-2