新型形状记忆聚合物粘合剂，登上Nature子刊，实现皮肤电子设备的“无痛剥离”

在当代医疗实践中，持续监测心率、呼吸、咳嗽等生理信号已成为指导临床诊断、调整治疗方案及管理患者的关键手段，许多此类监测依赖紧贴皮肤的电子设备。然而，这些设备在需要长时间牢固贴合的同时，还必须能够在不损伤皮肤的情况下轻松移除，这对传统医用粘合剂构成了巨大挑战。新生儿、婴幼儿、老年患者及重症监护人群尤为脆弱，传统粘合剂在剥离时产生的强烈附着力和应力集中常导致皮肤刺激、表皮剥脱甚至严重的皮肤损伤。因此，开发一种既能提供稳定监测所需强粘附力，又能在需要时通过温和触发机制实现无损、低力移除的“智能”粘合剂，成为了皮肤界面生物医学工程领域亟待突破的核心难题。

针对上述挑战，得克萨斯理工大学ChangHee Son教授和浦项科技大学Jin-Tae Kim教授、Seok Kim教授合作开发了一种基于形状记忆聚合物（SMP）的热触发可切换粘合剂。该粘合剂通过可编程的微金字塔结构恢复，实现了从“强粘附”到“近乎零粘附”的高对比度、可逆切换。在休眠状态下，金字塔结构保持压平，确保与皮肤牢固贴合以获取稳定信号；当温和加热至玻璃化转变温度以上时，结构迅速恢复，有效接触面积大幅减小，从而实现低力甚至自发剥离。机械测试显示，其粘附能降低高达99%，且三维数字图像相关（3D-DIC）分析证实，该过程能显著抑制应力集中，最大限度减少剥离时对皮肤下层的机械刺激。相关论文以“Shape memory polymer adhesives for on-demand, low-force detachment in skin-interfaced devices”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队通过一系列精巧的实验直观展示了这一技术的核心原理。如图1所示，对比传统医用绷带移除时对皮肤造成的明显红斑与刺激（图1A），新开发的SMP粘合剂在加热激活后能干净利落地脱离，几乎不留痕迹。其结构设计清晰明了：在休眠状态（T

图1 | SMP粘合剂的粘附开关概念。 A. 传统绷带（左）与SMP粘合剂（右）在移除后的对比，传统绷带会造成明显的皮肤刺激，而SMP粘合剂则能干净脱离。 B. 休眠态SMP粘合剂（T

在性能优化与验证方面，图2量化了粘附能的变化与设计参数的关系。数据显示，当金字塔结构完全恢复后，粘附能从休眠态的约1300 mJ/m²急剧下降至200 mJ/m²以下（图2A），实现了高达99%的降低。研究团队系统优化了金字塔的尖端尺寸、间距和角度（图2B-D），发现2 mm尖端尺寸、1 mm间距和45°角度的组合效果最佳。更重要的是，在实际皮肤附着演示中（图2E-F），该粘合剂在休眠态下能稳定承受垂直（700 mN）和水平（400 mN）方向的外力，足以支撑常见的轻量化可穿戴传感器，证明了其在实际使用条件下的可靠性。

图2 | SMP粘合剂的可切换粘附性能及强度演示。 A. 休眠态与激活态SMP粘合剂的粘附能随位移的变化曲线。 B-D. 粘附能随关键结构设计参数的变化：B. 尖端尺寸与间隙，C. 尖端角度与间隙，D. 尖端角度与尺寸。各参数组的粘附降低比率显示于对应图上。 E-F. 在实际皮肤上、实际负载条件下的粘附演示，包括（E）法向加载和（F）平行于粘合界面的加载。

为了深入理解其力学机制，研究团队运用3D-DIC技术对粘合剂的脱粘过程进行了精密分析（图3）。图3A-B展示了加热过程中金字塔顶点离面位移（Δz）随时间的变化，较大的位移意味着更大的界面间隙，这是粘附力下降的直接原因。更关键的是，在皮肤模型（图3C-D）和真实人体皮肤（图3E-F）上的剥离测试表明，休眠态SMP粘合剂剥离时会产生较高的剥离力和明显的表面形变（图3D），意味着对皮肤施加了较大机械刺激；而激活后的粘合剂，剥离力几乎为零，且对应的皮肤形变微乎其微（图3F）。这直观地证实了该技术能通过热触发有效抑制剥离时的应力集中，从而保护皮肤。

图3 | SMP粘合剂的力学分析。 A. 加热过程中SMP贴片峰高（Δz）随时间的变化，插图为用于测量SMP形变过程的3D-DIC/加热板实验装置。 B. 具有30°、60°和60°（带粘合剂层）的SMP贴片在激活前（上）和激活后（下）的原始图像，以及对应的3D-DIC变形图（右侧）；色标表示Δz。 C. 粘附在皮肤模型上的休眠态和激活态SMP贴片的拉伸载荷随时间变化曲线。 D. 剥离测试中皮肤模型的离面位移变形图。 E. 粘附在人体皮肤上的休眠态和激活态SMP贴片的拉伸载荷随时间变化曲线。 F. 剥离测试中人体皮肤的离面位移变形图。

为拓展该粘合剂在人体复杂曲面（如肘部、鼻翼）上的应用，研究团队引入了剪纸结构设计（图4）。扫描电子显微镜图像（图4A）展示了带有切口图案的SMP膜。弯曲刚度测试（图4B）显示，Kirigami设计能显著降低结构的抗弯刚度，使其能贴合拇指、手腕等中度弯曲部位（图4C），甚至能紧密贴附于小指、弯曲手臂和耳垂等高曲率部位（图4D）。更进一步，双向Kirigami设计使其能完美贴合肘部和鼻子这类双曲率表面，并在加热后实现自发卷曲剥离（图4E-F）。有限元分析（图4G）量化证实，Kirigami结构在多种形变模式下均能大幅降低有效刚度，最高降幅达97%，为其出色的柔顺性提供了理论支撑。

图4 | 剪纸结构SMP粘合剂的弯曲刚度和透气性。 A. 可切换Kirigami SMP粘合剂的扫描电子显微镜图像。 B. 以力/位移表示的弯曲刚度随粘合剂厚度的变化曲线。 C. 使用非Kirigami SMP粘合片在中度弯曲身体部位上的粘附演示。 D. Kirigami SMP粘合剂在高度弯曲身体部位上实现粘附。 E. 双向Kirigami SMP的照片和扫描电子显微镜图像。 F. 在双曲率解剖区域上的粘附和自发剥离行为。 G. 在不同加载条件下各设计的有效刚度（keff）。插图的位移图展示了刚度降低最大的情况所对应的形变模式。

论文进一步验证了该粘合剂的广泛适用性和热安全性。图5A-B表明，无论是金属、玻璃、塑料等非生物表面，还是光滑、多毛、起皱等不同状态的皮肤，SMP粘合剂均能可靠粘附并在加热后轻松剥离。针对实际应用至关重要的热响应动力学（图5C），研究指出在45°C加热约2分钟即可实现90%以上的形状恢复，而关键的33°C（人体皮肤温度）下结构可保持完全休眠，确保了日常佩戴的安全性。同时，热成像分析（图5D）表明，激活时皮肤接触面的温度（<41°C）远低于SMP层温度（~44°C），且远短于导致热损伤的安全暴露时间，进一步证实了其热安全性。

图5 | SMP粘合剂在不同表面的粘附及其温度依赖行为。 A. SMP粘合剂在金属、玻璃和塑料基底上的粘附性能。 B. 在光滑、多毛和起皱等不同皮肤类型上的粘附性能。 C. 在不同施加温度下，SMP粘合剂的恢复率随时间的变化。 D. 粘合剂各界面层随时间变化的温度曲线。

最后，研究团队将SMP粘合剂与无线机电声传感设备集成，验证了其在实际监测场景中的功能性（图6）。实验结果表明，在休眠状态下，SMP粘合剂与商业粘合剂在记录呼吸、说话、步行等日常活动信号时表现相当（图6A-C）。然而，一旦通过加热激活，粘附力显著下降导致传感器信号大幅衰减甚至消失（图6A），在咳嗽、清嗓等声音相关活动的频谱分析中（图6E），激活后的信号强度同样显著降低。这完美展示了该粘合剂系统的核心价值：在监测时提供媲美商业产品的稳定信号采集，在需要移除时又能通过热触发实现信号抑制和极其轻柔的器件脱离。

图6 | 使用SMP粘合剂以减轻皮肤刺激的皮肤界面无线可穿戴设备。 A. 使用商业（蓝色）、休眠SMP（黑色）和激活SMP（红色）粘合剂的BAMS设备代表性机械加速度数据对比，记录个体在120秒内进行呼吸、屏气、说话、行走、跳跃、静坐和休息等多种活动。插图为每种粘合剂条件下设备附着的照片。 B. 呼吸音和C. 心音频谱图，由BAMS设备的麦克风数据获得，对应（A）中的活动。 D. 使用MA咳嗽传感器在咳嗽、清嗓和发声等声音活动中，使用商业（蓝色）、休眠SMP（黑色）和激活SMP（红色）粘合剂的代表性加速度数据对比。 E. MA咳嗽传感器在这些声音活动中的傅里叶功率频谱图，并附有每种粘合剂条件在受试者上的示意图。

总结与展望

综上所述，这项研究成功开发了一种基于形状记忆聚合物的热触发可切换粘合剂平台，通过创新的几何驱动机制，巧妙地解决了可穿戴皮肤电子设备中“牢固贴合”与“无损移除”之间的矛盾。该系统不仅实现了高达99%的粘附能降低和剥离时皮肤变形的显著抑制，还通过Kirigami结构设计兼顾了在复杂身体部位的舒适贴合与透气性，并在与无线传感器的集成演示中展现了优异的实用价值。这一成果为开发面向脆弱皮肤人群（如婴幼儿、老人）的下一代低创伤、高舒适度皮肤电子贴片和智能绷带提供了极具前景的材料与设计范式，有望显著提升患者的护理体验与生活质量。