用于柔性化學(xué)傳感器的功能性水凝膠

水凝膠由于其獨(dú)特的3D結(jié)構(gòu)、高滲透性、離子導(dǎo)電性和類組織機(jī)械性能，在柔性化學(xué)傳感器領(lǐng)域引起了相當(dāng)大的關(guān)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(fù)雜的環(huán)境中對(duì)化學(xué)信號(hào)做出反應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，廣東以色列理工學(xué)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(xué)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(xué)傳感器的工作原理。隨后，重點(diǎn)介紹了最先進(jìn)的基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感應(yīng)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(cè)等。最后，介紹了該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

在過去的二十年里，基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器經(jīng)歷了廣泛的發(fā)展（圖1）?；谒z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(jī)界面、傷口愈合和健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)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(cè)的基于功能性水凝膠的化學(xué)傳感器。為此，本論文對(duì)基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器進(jìn)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(xué)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(jìn)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(duì)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(dú)特的化學(xué)、生物和物理特性被用來增強(qiáng)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(tuán)和獨(dú)特的化學(xué)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(jī)械和電氣性能、溶解度和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，以滿足特定功能的需求，這得益于其官能團(tuán)的高反應(yīng)性。

合成水凝膠在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中也變得越來越重要，例如即時(shí)檢測(cè)、醫(yī)療產(chǎn)品和生物傳感器，因?yàn)樗鼈兛梢员粌?yōu)化設(shè)計(jì)以產(chǎn)生理想的物理和化學(xué)特性，類似于其天然對(duì)應(yīng)物。同時(shí)，它們也吸引了人們對(duì)柔性化學(xué)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(dāng)暴露于外部刺激時(shí)，傳感材料會(huì)發(fā)生物理/化學(xué)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(xué)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(xué)傳感器。通常，水凝膠化學(xué)傳感器通過分析物擴(kuò)散接受輸入，然后將其轉(zhuǎn)換為可量化的輸出。輸出信號(hào)通常以體積、比色、化學(xué)機(jī)械、電氣和光學(xué)等變化的形式表示。基于信號(hào)的可視化，以及水凝膠在化學(xué)傳感器中所起的作用，該綜述討論了三個(gè)工作原理：（1）體積/顏色變化；（2）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；（3）雙向交換。對(duì)于體積/顏色變化和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，信號(hào)直接發(fā)生在水凝膠體內(nèi)，而對(duì)于雙向交換，水凝膠充當(dāng)生物系統(tǒng)和化學(xué)傳感組件之間的界面。

圖3 化學(xué)傳感器中功能性水凝膠的工作原理

應(yīng)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(jī)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(xué)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(cè)（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(dǎo)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(xué)特性，為開發(fā)高性能柔性化學(xué)傳感器提供了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。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(xué)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(xué)傳感器的三個(gè)工作原理：（1）體積/顏色變化；（2）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；（3）根據(jù)水凝膠在化學(xué)傳感過程中所起的作用進(jìn)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(xué)傳感器在環(huán)境和人體健康監(jiān)測(cè)方面的最新進(jìn)展，重點(diǎn)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(cè)等。盡管基于功能性水凝膠的柔性化學(xué)傳感器在這一領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，但仍然存在挑戰(zhàn)。如下概述了幾個(gè)仍然存在的挑戰(zhàn)，并提出了相關(guān)解決方案。

首先，由于其有限的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)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(xué)性質(zhì)，是一種在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中提高測(cè)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(dòng)的方式用作涂層或主體，而不是以主動(dòng)的、響應(yīng)的功能。研究人員提出，未來可以通過開發(fā)主動(dòng)響應(yīng)水凝膠來考慮開發(fā)全水凝膠柔性化學(xué)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(xué)傳感器用于可穿戴和可植入應(yīng)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?。ㄔ霾闹圃欤┖凸饪碳夹g(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(xué)傳感器。得益于多種添加劑的選擇和預(yù)先編程的優(yōu)勢(shì)，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(xué)傳感器的理想技術(shù)。同時(shí)，還需要改進(jìn)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(xué)傳感器的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以部署在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，其中應(yīng)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(lǐng)域的另一個(gè)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(jìn)展，但由于脫水以及異物反應(yīng)的影響，同時(shí)有損傷風(fēng)險(xiǎn)，未來仍迫切需要相關(guān)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(huì)影響水凝膠的力學(xué)性能，嚴(yán)重限制其使用壽命和應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用。同時(shí)，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(luò)結(jié)構(gòu)和足夠的動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵的功能性水凝膠，可實(shí)現(xiàn)其自修復(fù)能力。

審核編輯：劉清