用于柔性化學傳感器的功能性水凝膠

水凝膠由于其獨特的3D結(jié)構(gòu)、高滲透性、離子導電性和類組織機械性能，在柔性化學傳感器領域引起了相當大的關注。這些結(jié)構(gòu)和特性使其能夠被功能化為各種傳感組件，并在復雜的環(huán)境中對化學信號做出反應。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，廣東以色列理工學院（第一單位）王燕教授課題組在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了一篇題為“A Review of Functional Hydrogels for Flexible Chemical Sensors”的綜述性論文，概述了基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器。該論文首先介紹了具有代表性的水凝膠材料，并討論了柔性化學傳感器的工作原理。隨后，重點介紹了最先進的基于功能性水凝膠的柔性化學傳感應用，包括氣體傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、葡萄糖傳感器、傷口監(jiān)測等。最后，介紹了該領域的主要挑戰(zhàn)和機遇。

在過去的二十年里，基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器經(jīng)歷了廣泛的發(fā)展（圖1）。基于水凝膠的柔性電子器件也有很多綜述文章，主要集中在材料、性能、人機界面、傷口愈合和健康監(jiān)測等應用方面。然而，它們均未在分子水平上總結(jié)用于環(huán)境和人體健康監(jiān)測的基于功能性水凝膠的化學傳感器。為此，本論文對基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器進行了全面綜述，并為未來令人興奮的發(fā)展提出可能性展望。

圖1 在過去的二十年中，基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器的代表性示例

水凝膠材料

水凝膠可以按多種方式進行分類，例如聚合物來源、交聯(lián)類型和制備方法。本綜述文章根據(jù)聚合物來源對其分類，分為天然水凝膠、合成水凝膠和功能性水凝膠（圖2）。它們獨特的化學、生物和物理特性被用來增強傳感能力。

圖2 具有代表性的水凝膠材料

天然水凝膠，例如纖維素、藻酸鹽、殼聚糖及其衍生物，通?？蓮脑偕Y源中提取。由于其豐富的官能團和獨特的化學和/或物理性質(zhì)，以及優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，它們已被廣泛用于制造各種類型的傳感器。此外，它們可以通過調(diào)節(jié)機械和電氣性能、溶解度和晶體結(jié)構(gòu)進行修飾，以滿足特定功能的需求，這得益于其官能團的高反應性。

合成水凝膠在各種生物醫(yī)學應用中也變得越來越重要，例如即時檢測、醫(yī)療產(chǎn)品和生物傳感器，因為它們可以被優(yōu)化設計以產(chǎn)生理想的物理和化學特性，類似于其天然對應物。同時，它們也吸引了人們對柔性化學傳感器的廣泛興趣，典型的例子包括聚丙烯酰胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）及它們的替代衍生物。

雜化水凝膠既能保持其自身的特性，又能與其它成分協(xié)同作用。常見的功能材料包括納米顆粒、聚合物、生物分子（如酶和DNA）和其它添加劑。當暴露于外部刺激時，傳感材料會發(fā)生物理/化學變化，從而調(diào)節(jié)聚合物鏈和分析物之間的相互作用。

水凝膠化學傳感器的工作原理

水凝膠可以利用其特殊特性，例如吸濕性、溶脹性和優(yōu)異的滲透性來構(gòu)建柔性化學傳感器。通常，水凝膠化學傳感器通過分析物擴散接受輸入，然后將其轉(zhuǎn)換為可量化的輸出。輸出信號通常以體積、比色、化學機械、電氣和光學等變化的形式表示。基于信號的可視化，以及水凝膠在化學傳感器中所起的作用，該綜述討論了三個工作原理：（1）體積/顏色變化；（2）信號轉(zhuǎn)導；（3）雙向交換。對于體積/顏色變化和信號轉(zhuǎn)導，信號直接發(fā)生在水凝膠體內(nèi)，而對于雙向交換，水凝膠充當生物系統(tǒng)和化學傳感組件之間的界面。

圖3 化學傳感器中功能性水凝膠的工作原理

應用

得益于其令人印象深刻的特性，即生物相容性、高滲透性和可定制的機械和電氣特性，功能性水凝膠已經(jīng)被廣泛用于高性能柔性化學傳感器。本綜述文章討論并總結(jié)了具有代表性的示例，包括氣體傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、葡萄糖傳感器、傷口監(jiān)測（如圖4~圖9）等。

圖4 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸氣體傳感器

圖5 由功能性水凝膠制成的柔性、可膨脹氣體傳感器

圖6 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸濕度傳感器

圖7 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸pH傳感器

圖8 由功能性水凝膠制成的柔性、可彎曲葡萄糖傳感器

圖9 由功能性水凝膠制成的柔性、可拉伸傷口敷料

結(jié)論和展望

綜上所述，功能性水凝膠固有的柔軟性、三維納米結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的滲透性、溶脹性、導電性和生物相容性/生物降解性及大規(guī)模的工業(yè)可及性等優(yōu)越的物理化學特性，為開發(fā)高性能柔性化學傳感器提供了強大的優(yōu)勢。在本綜述文章中，研究人員首先介紹了用于功能性水凝膠基的化學傳感器的常見聚合物，例如天然水凝膠、合成水凝膠和功能性水凝膠。隨后，他們總結(jié)了基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器的三個工作原理：（1）體積/顏色變化；（2）信號轉(zhuǎn)導；（3）根據(jù)水凝膠在化學傳感過程中所起的作用進行雙向交換。然后，他們介紹了基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器在環(huán)境和人體健康監(jiān)測方面的最新進展，重點介紹了氣體傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、葡萄糖傳感器、傷口監(jiān)測等。盡管基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器在這一領域取得了巨大進展，但仍然存在挑戰(zhàn)。如下概述了幾個仍然存在的挑戰(zhàn)，并提出了相關解決方案。

首先，由于其有限的導電性、機械強度和抗疲勞性，水凝膠還不是高性能商業(yè)傳感器的理想候選材料。研究人員提出引入不同的功能成分來調(diào)節(jié)水凝膠的物理和化學性質(zhì)，是一種在現(xiàn)實場景中提高測量能力的令人向往的策略。另外，現(xiàn)有的水凝膠大多以被動的方式用作涂層或主體，而不是以主動的、響應的功能。研究人員提出，未來可以通過開發(fā)主動響應水凝膠來考慮開發(fā)全水凝膠柔性化學傳感器，將有可能真正開發(fā)出類人體組織的裝置。其次，未來的柔性化學傳感器用于可穿戴和可植入應用，要求高精度和小尺寸。然而，水凝膠由于其高含水量而難以通過傳統(tǒng)技術(shù)圖案化為高分辨率結(jié)構(gòu)。研究人員提出3D打印（增材制造）和光刻技術(shù)能夠快速、低成本地大規(guī)模生產(chǎn)基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器。得益于多種添加劑的選擇和預先編程的優(yōu)勢，3D打印和光刻技術(shù)通常是制造下一代基于水凝膠的柔性化學傳感器的理想技術(shù)。同時，還需要改進現(xiàn)有工藝，并制定與材料開發(fā)協(xié)同的新制造戰(zhàn)略。

再者，基于功能性水凝膠的柔性化學傳感器的最終目標是實現(xiàn)閉環(huán)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以部署在現(xiàn)實場景中，其中應考慮其電源、數(shù)據(jù)分析、通信和管理。因此，功能性水凝膠、生物電子器件和生物組織的穩(wěn)健集成是該領域的另一個挑戰(zhàn)。研究人員提出用含鄰苯二酚的化合物（例如聚多巴胺、單寧酸和茶多酚）功能性水凝膠是改善自粘性能的重要策略。

最后，盡管基于水凝膠的可穿戴和可植入電子產(chǎn)品取得了巨大進展，但由于脫水以及異物反應的影響，同時有損傷風險，未來仍迫切需要相關研究，以改善水凝膠的長期穩(wěn)定性和生物相容性。高溫和干燥條件引起的水分揮發(fā)會影響水凝膠的力學性能，嚴重限制其使用壽命和應用場景。研究人員提出通過添加吸濕鹽或保水劑來構(gòu)建抗干燥的水凝膠，適用于暴露在空氣中的應用。同時，可以通過控制交聯(lián)方法和合成步驟，來構(gòu)建具有互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和足夠的動態(tài)非共價鍵的功能性水凝膠，可實現(xiàn)其自修復能力。

審核編輯：劉清