Xi’an – Forschende der Xi’an Jiaotong-Liverpool University und Kooperationspartner haben einen MXene-basierten Dual-Network-Hydrogel-Sensor entwickelt, der unter extremen Bedingungen wie Hitze, Schweiß und intensiver Bewegung zuverlässig Herzfrequenz und Atmung misst. Die in Microsystems & Nanoengineering veröffentlichte Studie (DOI: 10.1038/s41378-025-01102-2) zeigt, wie das Material die Grenzen herkömmlicher Wearables überwindet und eine neue Generation hautähnlicher Sensoren für Ausdauersport und kontinuierliches Gesundheits-Monitoring ermöglicht.
Bei Marathonläufen und anderen Ausdauersportarten belasten extreme kardiorespiratorische Anforderungen den Körper. Kommerzielle Wearables mit starren Elektroniken oder lockerem Hautkontakt leiden jedoch unter Bewegungsartefakten, Unbehagen und unzuverlässigen Signalen. Leitfähige Hydrogele versprechen Abhilfe durch ihre weiche, hydratisierte Struktur, die der menschlichen Haut ähnelt. Viele Hydrogel-Sensoren verlieren jedoch durch Schweiß, hohe Temperatur und Feuchtigkeit Wasser, driften im Signal oder fördern Bakterienwachstum.
Der neu entwickelte Dual-Network-Hydrogel kombiniert Polyvinylalkohol und oxidierte Cellulosenanofasern mit leitfähigen MXene-Nanosheets und dynamischen Borat-Vernetzungen. Das Material erreicht eine Dehnbarkeit von bis zu 800 % bei einem Gauge-Faktor von 7,79 und erkennt so feinste Hautverformungen durch Puls und Atmung. Nach sechs Stunden bei 38 °C und 52 % relativer Luftfeuchtigkeit – Bedingungen, die der Hautoberfläche bei Ausdauersport entsprechen – behält der Sensor mehr als 94 % seines Wassergehalts. Elektrischer Widerstand und Sensitivität bleiben stabil.
Die MXene-Komponente verleiht dem Hydrogel zudem starke antibakterielle Eigenschaften: Es hemmt nahezu vollständig Gram-positive und Gram-negative Bakterien und reduziert das Infektionsrisiko bei längerem Hautkontakt.
Als Proof-of-Concept wurde der Sensor an der Halsschlagader und am Brustkorb getestet. Er zeichnete Herzfrequenz und Atemkurven während unterschiedlicher Belastungsstufen präzise auf und stimmte mit Referenzmessungen überein – sowohl bei linearen kardiovaskulären als auch bei nichtlinearen respiratorischen Veränderungen.
„Zuverlässiges Monitoring bei Ausdauersport erfordert Sensoren, die gleichzeitig mechanische Verformung, Schweiß und Hitze aushalten“, betonen die Autoren. „Unser Dual-Network-Design löst diese Herausforderungen durch Feuchtigkeitsspeicherung, Selbstheilung und antibakteriellen Schutz in einer einzigen Materialplattform.“
Die Technologie eröffnet Anwendungen jenseits des Sports: Rehabilitation, Arbeitssicherheit in heißen oder feuchten Umgebungen, elektronische Haut und Mensch-Maschine-Schnittstellen. Mit weiterer Entwicklung könnten solche Sensoren Frühwarnsysteme für Hitzestress, Atemstörungen oder kardiovaskuläre Anomalien ermöglichen und zu sichererem Training sowie präziserer Gesundheitsüberwachung beitragen.
Die Arbeit wurde unterstützt durch die National Natural Science Foundation of China, die Jiangsu Higher Education Foundation, die Jiangsu Provincial Outstanding Youth Program, die Science Foundation of Jiangsu Province und weitere Förderprogramme.
Originalpublikation:
Microsystems & Nanoengineering (2025)
DOI: 10.1038/s41378-025-01102-2
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01102-2
