水凝胶是一种柔软、生物相容性好的材料，主要由水和少量聚合物构成。这种类似果冻的物质可制成医用贴片、喷雾和胶水，能够贴附于皮肤或植入体内，用于伤口护理、固定植入物以及缓释药物。
然而，水凝胶有一个明显短板：透气性差。长时间佩戴后，绷带或贴片会积聚水分和汗液，不仅刺激皮肤组织，还会降低所附着设备的工作效果。
麻省理工学院（MIT）的工程师们现已研发出一种既保湿又透气的水凝胶配方。这种新材料与传统水凝胶同样柔软、有弹性且耐用，但其内部贯穿着微小通道网络，可让空气自由通过。
与传统水凝胶相比，这种透气水凝胶可长时间佩戴而不引起皮肤刺激，即便在运动时也能有效减少汗液积聚。在实验中，志愿者将无线心脏监测仪通过新型透气水凝胶贴附于胸部，坚持规律锻炼10天后，皮肤未出现任何刺激迹象，心脏监测仪的读数依然清晰。
相关研究成果已发表于《自然》杂志，有望推动水凝胶产品的长效应用，包括透气绷带与敷料、美容面膜、隐形眼镜，以及性能更优的健康监测仪和植入物。
"水和氧气都是生命不可或缺的要素，"机械工程教授赵宣和表示，"如今我们为水凝胶引入了空气，这将开拓广泛的应用前景。"
参与本研究的MIT团队成员包括颜晓云、李树聪、宋元俊、李润泽、Bastien Aymon、吴晶晶、卢耿希、刘佳怡、王舒、卢瑞克、李贤熙、张杰、Casey O'Brien和Zachary Smith，以及来自多家机构的合作者。
果冻也能"呼吸"
典型水凝胶约90%由水构成，其余为聚合物。聚合物在"交联"这一化学过程中与水混合，形成一种支架结构，将水固定其中，造就既柔软又有弹性的凝胶。但正因为水凝胶主要成分是水，空气很难有效穿透材料。
"水本身不透气，"共同第一作者颜晓云说，"水凝胶含水量高达80%至90%，和果冻差不多，而你没法透过果冻呼吸。"
此前已有研究团队尝试设计透气水凝胶，主要采用两种思路：一是在凝胶中打出微观小孔，这种设计在空气中透气性良好，但一旦接触液体，小孔很快就会堵塞；二是将水凝胶与硅胶等天然透气聚合物混合，但这需要加入大量聚合物才能形成足够的透气空间，导致聚合物与水的比例失衡，整体含水量下降。
长期深耕水凝胶研发与应用的赵宣和，致力于在不牺牲高含水量的前提下实现透气性。
"我们希望在保留大量水分的同时，形成许多微小通道让空气通过，"赵宣和说，"这是一个巨大的挑战，很多人认为根本不可能实现。"
空气的"高速公路"
经过数年探索，团队找到了一种理想的透气水凝胶配方，将实现透气所需的非水成分降至最低。研究的关键在于"相分离"——一个常见的例子是油与水的相互作用：两种液体因相态不同而迅速分离，混合时各自聚集，互不相融。
赵宣和团队利用粘弹性相分离原理，在传统水凝胶配方中加入极少量的二氧化硅气凝胶颗粒——这些颗粒本质上是"固态"气泡。
"它们就像珍珠奶茶里的波霸，"颜晓云打比方说，"颗粒由二氧化硅构成，具有疏水性，水不会渗入，因此在水中非常稳定。"
研究人员发现，当少量颗粒与高含水量的水凝胶溶液混合时，水分子会迅速聚集，比数量较少的二氧化硅颗粒更快地相互吸引。这种粘弹性相分离效应形成了大片水域，同时将二氧化硅颗粒挤压成细长、相互连通的通道。数小时后，这一过程在凝胶内部形成了一张由纤细坚固、二氧化硅包覆的通道构成的网络，空气得以在其中流通。
"颗粒仿佛形成了一张相互连通的隧道网络，就像水合水凝胶内部的透气高速公路，"共同第一作者李树聪说。
确认网络形成后，团队对混合物进行交联处理，将凝胶及其透气网络"定型"。随后，他们通过多项实验测试了凝胶的透气性和力学性能，其中一项实验邀请多名志愿者佩戴贴有无线心电图（ECG）监测仪的凝胶，进行20分钟的运动。志愿者同时佩戴了使用传统商用水凝胶粘合剂的监测仪作为对照。
运动过程中，透气水凝胶始终保持稳定的心电图信号，而传统凝胶则出现明显的信号波动。在另一项为期10天的实验中，多名志愿者持续佩戴透气水凝胶和心电图监测仪，结果同样令人满意。
"我们持续观察到，10天后心电图信号质量依然良好，取下监测仪后皮肤上没有明显的水泡或红肿，"李树聪说，"这说明皮肤状态健康。"
团队还对凝胶本身进行了耐久性测试，经历10000次拉伸与压缩循环后，凝胶仍保留着完整的空气通道网络，透气性未受影响。
"经过10000次循环，氧气渗透率下降不足5%，"李树聪说，"这一点至关重要，因为心跳本身就会让胸部持续产生微小形变，我们必须确保凝胶能够承受日常活动的考验。"
赵宣和表示，这项研究为其他研究者提供了一种制备透气多功能水凝胶的新思路，粘弹性相分离概念可作为重要参考。
"我们发现这一过程能够制造出透气水凝胶，并展示了其中一种应用，"他说，"但我们认为潜在应用非常广泛，这是一个技术平台。"
本研究部分借助MIT.nano的设施完成，并获得MIT Hatsopoulos教职奖学金、Uncas与Helen Whitaker教授席位、HEALS种子基金、美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会以及美国国防部国会定向医学研究项目的资助。
Q&A
Q1：MIT新型透气水凝胶是怎么实现透气的？
A：研究团队利用粘弹性相分离原理，在传统水凝胶中加入极少量二氧化硅气凝胶颗粒。混合后，水分子迅速聚集，将二氧化硅颗粒挤压成细长、相互连通的通道网络，空气可以在这些通道中自由流通，从而实现透气，同时保持凝胶的高含水量。
Q2：透气水凝胶和传统水凝胶相比有什么优势？
A：透气水凝胶可长时间佩戴而不引起皮肤刺激，运动时也能有效减少汗液积聚。实验显示，志愿者佩戴10天后皮肤无红肿或水泡，心电图信号依然清晰稳定，而传统水凝胶则出现明显信号波动。此外，经过10000次拉伸压缩循环后，透气性下降不足5%，耐久性良好。
Q3：透气水凝胶未来有哪些应用场景？
A：研究团队认为应用前景非常广泛，包括透气绷带与医用敷料、美容面膜、隐形眼镜，以及性能更优的可穿戴健康监测仪和体内植入物。研究者将其定位为一个技术平台，未来有望在医疗健康领域发挥重要作用。
