本研究报告介绍了一项由麻省理工学院（MIT）赵选贺教授团队主导、华南理工大学严笑云教授与佐治亚理工学院李曙聪教授为共同第一作者的研究成果。该论文于2026年7月9日在线发表于国际顶级期刊 *Nature*（第655卷，372–380页），题为“Air-permeable hydrogels through viscoelastic phase separation of aerogels”。合作单位包括首尔国立大学、斯坦福大学、哈佛大学、加州理工学院、南加州大学、圣母大学、得克萨斯理工大学及多家企业。该研究提出了一种基于粘弹性相分离（viscoelastic phase separation, VPS）的全新策略，成功制备出兼具高含水量与高透气性的水凝胶材料，在生物医学界面、可穿戴电子与皮肤健康监测等领域具有重要应用前景。
传统水凝胶由极性水介质构成，非极性气体（如氧气、二氧化碳）在其中的溶解度（C）与扩散系数（D）极低，导致其空气渗透性受到纯水理论极限的制约，通常低于40 Barrer。这一问题成为水凝胶在长期可穿戴健康监测、组织工程和伤口敷料等应用中面临的关键瓶颈。已有方法虽尝试引入宏观或介观气路或分子级自由体积，却往往伴随结构坍塌、水含量降低或制备复杂等局限，难以在保持高含水量（例如>70 vol%）的同时实现高效气体交换。为突破这一困境，研究团队受人体肺部结构启发——肺虽含水量约80%，却因软骨支撑、疏水层修饰的支气管网络实现高效气体交换——提出通过稳定气凝胶颗粒并在水凝胶内部构建逾渗（percolated）网络，以低气凝胶体积分数实现高透气性。
研究中采用的核心材料为平均粒径8 μm、孔隙率90%、表面经三甲基硅氧基修饰的超疏水二氧化硅气凝胶颗粒。这些颗粒具有刚性无机骨架，可抵抗毛细力引起的气相坍塌；同时其疏水纳米隧道（nanotunnels）阻碍液态水渗入，从而热力学稳定地包裹空气。为使气凝胶颗粒在水相中均匀分散并避免浮力分离，引入普朗尼克F-127（Pluronic F-127）、聚乙烯醇（PVA）与聚丙烯酸（PAA）等大分子表面活性剂与增稠剂。其中，F-127用于界面稳定，PVA提高粘度，PAA则作为非吸附性聚合物促进相分离过程中的动力学不对称。研究发现，当气凝胶含量仅为2 wt%（约11 vol%）或4 wt%（约23 vol%）——远低于球形颗粒在三维空间中的理论逾渗阈值（约29 vol%）——即可借由VPS形成连通的网络结构。
VPS的发生源于体系中不同组分在动力学上的显著不对称性，即水相与气凝胶富集相在响应变形的时间尺度上存在巨大差异。由于气凝胶颗粒尺寸（微米级）远大于水分子，其扩散时间常数τt约比水相高数个数级。在相分离过程中，气凝胶富集相来不及跟随水相的快速变形，从而表现为弹性体并先形成连通网络，之后才逐渐解体为孤立的岛状结构。为了掌握该网络的时间演化规律，研究团队结合光学显微镜与微型计算机断层扫描（micro-CT）对气凝胶组装结构进行系统表征。结果表明，在结构发育约8小时时，最大逾渗网络的体积比例fp达到峰值0.84，欧拉特征数χ也达到负最小值，表明网络连通性与拓扑复杂度最优，之后网络逐渐解体。同步进行的氧气渗透率测试显示，2 wt%和4 wt%气凝胶含量的样品均在8小时节点达到渗透率峰值，分别约为141 Barrer和193 Barrer，验证了VPS网络形态与透气性能之间的直接关联。为进一步制备水凝胶，研究团队在最优网络形成节点通过冷冻诱导PVA物理交联，将网络“冻结”，再以预凝胶溶液替换水相并引发凝胶化，最终获得VPS水凝胶。
VPS水凝胶在保持高水含量（约70 vol%）的同时，氧气渗透率达185 Barrer，相较原始PVA水凝胶（15.5 Barrer）提高约十倍。这一性能不仅远高于常规水凝胶，还超越了市售硅水凝胶（silicone hydrogels）在类似水含量下的渗透表现。此外，该策略适用于多种水凝胶体系，包括合成聚合物、蛋白质基和多糖基材料，如海藻酸盐（alginate）、琼脂糖（agarose）、壳聚糖（chitosan）和明胶（gelatin），其氧气渗透率均显著高于对应原始水凝胶。水蒸气透过率（WVTR）也远高于硅胶和聚氨酯敷料，达到其10–100倍。力学测试表明，VPS水凝胶的杨氏模量与原始PVA水凝胶相近，处于50–100 kPa范围，接近皮肤组织硬度，且可承受弯曲、折叠、卷曲和拉伸等形变。在20%应变下循环拉伸10,000次后，其氧气渗透率仅下降约5%。还值得注意的是，VPS水凝胶可在水面漂浮10天不沉，说明其内部空气网络结构在水中高度稳定。
在多功能集成方面，VPS水凝胶可引入电解质（如氯化钠）、导电纳米纤维（PEDOT:PSS）或导电微粒（银片）等添加剂，同时实现高离子电导率（最高达70.8 mS/cm）和高电子电导率（银片体系达471 S/cm），同时保持高透气性。与随机混合导电填料的水凝胶相比，VPS策略形成的逾渗网络可显著提升导电性能。这一特性使其在生物电子器件中具有突出应用潜力，例如心电图（ECG）监测电极等。
人体试验进一步验证了VPS水凝胶在实际应用中的综合优势。在受试者进行20分钟椭圆机运动后，红外热成像显示，覆盖市售硅胶贴片的皮肤温度升高约6.5 °C，而VPS水凝胶贴片覆盖区域的皮肤温度下降约1 °C，表明其更优异的散热与汗液蒸发性能。使用视觉模拟量表评估的佩戴舒适度也显示，VPS水凝胶评分显著优于商用硅胶敷料、PVA水凝胶及3M水凝胶填料。皮肤生理测试中，在连续佩戴24小时后，VPS水凝胶组皮肤的经皮水分流失（TEWL）与角质层水合度均更快恢复至健康范围，而对原始PVA水凝胶组恢复较慢。上述结果说明，VPS水凝胶的高透气性有助于缓解长期封闭引起的皮肤屏障功能受损。
在心电监测实验中，使用VPS导电水凝胶电极替换商用Ag/AgCl电极的水凝胶层，并与商用织物背衬电极电极进行比较。结果显示，静息状态下二者信号质量相当，但在持续10分钟的骑行运动期间及运动后恢复期，VPS水凝胶电极表现出显著更稳定的ECG信号，能够清晰分辨P波、QRS波群与T波，并支持心率与Q–T间期的精确分析。进一步长达10天的连续佩戴与监测实验表明，VPS水凝胶电极在整个期间持续稳定输出高质量ECG信号，在睡眠、步行、工作与高强度运动等不同活动状态下均未出现明显信号退化或皮肤不良反应，这为可穿戴长期健康监测提供了重要的材料基础。
本研究的主要创新点包括以下几点：首次将粘弹性相分离用于水凝胶内部构建超低体积分数、稳定的空气逾渗网络，突破了传统水凝胶氧气渗透率的理论限制；利用疏水气凝胶颗粒实现“微孔水”（microporous water）效应，在不牺牲高含水量的前提下实现高效气体传输；提出的VPS制备策略具备材料普适性与工艺兼容性，可扩展至多种水凝胶和多种功能填料；通过系统的人体试验验证了其在皮肤舒适性、皮肤健康恢复与长期电生理监测中的实际优势。总体上，这项工作为高性能、透气性水凝胶的设计提供了一种通用且可规模化的工程方法，并为下一代长期可穿戴生物电子和生物医学界面材料奠定了科学基础。