综述：用于柔性化学传感器的功能性水凝胶
2023-05-13 16:07:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本论文首先介绍了具有代表性的水凝胶材料，并讨论了柔性化学传感器的工作原理。随后，重点介绍了最先进的基于功能性水凝胶的柔性化学传感应用，包括气体传感器、湿度传感器、pH传感器、葡萄糖传感器、伤口监测等。最后，介绍了该领域的主要挑战和机遇。
水凝胶由于其独特的3D结构、高渗透性、离子导电性和类组织机械性能，在柔性化学传感器领域引起了相当大的关注。这些结构和特性使其能够被功能化为各种传感组件，并在复杂的环境中对化学信号做出反应。
据麦姆斯咨询报道，近期，广东以色列理工学院（第一单位）王燕教授课题组在Advanced Sensor Research期刊上发表了一篇题为“A Review of Functional Hydrogels for Flexible Chemical Sensors”的综述性论文，概述了基于功能性水凝胶的柔性化学传感器。本论文首先介绍了具有代表性的水凝胶材料，并讨论了柔性化学传感器的工作原理。随后，重点介绍了最先进的基于功能性水凝胶的柔性化学传感应用，包括气体传感器、湿度传感器、pH传感器、葡萄糖传感器、伤口监测等。最后，介绍了该领域的主要挑战和机遇。
在过去的二十年里，基于功能性水凝胶的柔性化学传感器经历了广泛的发展（图1）。基于水凝胶的柔性电子器件也有很多综述文章，主要集中在材料、性能、人机界面、伤口愈合和健康监测等应用方面。然而，它们均未在分子水平上总结用于环境和人体健康监测的基于功能性水凝胶的化学传感器。为此，本论文对基于功能性水凝胶的柔性化学传感器进行了全面综述，并为未来令人兴奋的发展提出可能性展望。
图1 在过去的二十年中，基于功能性水凝胶的柔性化学传感器的代表性示例
水凝胶材料
水凝胶可以按多种方式进行分类，例如聚合物来源、交联类型和制备方法。本综述文章根据聚合物来源对其分类，分为天然水凝胶、合成水凝胶和功能性水凝胶（图2）。它们独特的化学、生物和物理特性被用来增强传感能力。
图2 具有代表性的水凝胶材料
天然水凝胶，例如纤维素、藻酸盐、壳聚糖及其衍生物，通常可从再生资源中提取。由于其丰富的官能团和独特的化学和/或物理性质，以及优异的生物相容性和生物降解性，它们已被广泛用于制造各种类型的传感器。此外，它们可以通过调节机械和电气性能、溶解度和晶体结构进行修饰，以满足特定功能的需求，这得益于其官能团的高反应性。
合成水凝胶在各种生物医学应用中也变得越来越重要，例如即时检测、医疗产品和生物传感器，因为它们可以被优化设计以产生理想的物理和化学特性，类似于其天然对应物。同时，它们也吸引了人们对柔性化学传感器的广泛兴趣，典型的例子包括聚丙烯酰胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）及它们的替代衍生物。
杂化水凝胶既能保持其自身的特性，又能与其它成分协同作用。常见的功能材料包括纳米颗粒、聚合物、生物分子（如酶和DNA）和其它添加剂。当暴露于外部刺激时，传感材料会发生物理/化学变化，从而调节聚合物链和分析物之间的相互作用。
水凝胶化学传感器的工作原理
水凝胶可以利用其特殊特性，例如吸湿性、溶胀性和优异的渗透性来构建柔性化学传感器。通常，水凝胶化学传感器通过分析物扩散接受输入，然后将其转换为可量化的输出。输出信号通常以体积、比色、化学机械、电气和光学等变化的形式表示。基于信号的可视化，以及水凝胶在化学传感器中所起的作用，该综述讨论了三个工作原理：（1）体积/颜色变化；（2）信号转导；（3）双向交换。对于体积/颜色变化和信号转导，信号直接发生在水凝胶体内，而对于双向交换，水凝胶充当生物系统和化学传感组件之间的界面。
图3 化学传感器中功能性水凝胶的工作原理
应用
得益于其令人印象深刻的特性，即生物相容性、高渗透性和可定制的机械和电气特性，功能性水凝胶已经被广泛用于高性能柔性化学传感器。本综述文章讨论并总结了具有代表性的示例，包括气体传感器、湿度传感器、pH传感器、葡萄糖传感器、伤口监测（如图4~图9）等。
图4 由功能性水凝胶制成的柔性、可拉伸气体传感器
图5 由功能性水凝胶制成的柔性、可膨胀气体传感器
图6 由功能性水凝胶制成的柔性、可拉伸湿度传感器
图7 由功能性水凝胶制成的柔性、可拉伸pH传感器
图8 由功能性水凝胶制成的柔性、可弯曲葡萄糖传感器
图9 由功能性水凝胶制成的柔性、可拉伸伤口敷料
结论和展望
综上所述，功能性水凝胶固有的柔软性、三维纳米结构、优异的渗透性、溶胀性、导电性和生物相容性/生物降解性及大规模的工业可及性等优越的物理化学特性，为开发高性能柔性化学传感器提供了强大的优势。在本综述文章中，研究人员首先介绍了用于功能性水凝胶基的化学传感器的常见聚合物，例如天然水凝胶、合成水凝胶和功能性水凝胶。随后，他们总结了基于功能性水凝胶的柔性化学传感器的三个工作原理：（1）体积/颜色变化；（2）信号转导；（3）根据水凝胶在化学传感过程中所起的作用进行双向交换。然后，他们介绍了基于功能性水凝胶的柔性化学传感器在环境和人体健康监测方面的最新进展，重点介绍了气体传感器、湿度传感器、pH传感器、葡萄糖传感器、伤口监测等。尽管基于功能性水凝胶的柔性化学传感器在这一领域取得了巨大进展，但仍然存在挑战。如下概述了几个仍然存在的挑战，并提出了相关解决方案。
首先，由于其有限的导电性、机械强度和抗疲劳性，水凝胶还不是高性能商业传感器的理想候选材料。研究人员提出引入不同的功能成分来调节水凝胶的物理和化学性质，是一种在现实场景中提高测量能力的令人向往的策略。另外，现有的水凝胶大多以被动的方式用作涂层或主体，而不是以主动的、响应的功能。研究人员提出，未来可以通过开发主动响应水凝胶来考虑开发全水凝胶柔性化学传感器，将有可能真正开发出类人体组织的装置。其次，未来的柔性化学传感器用于可穿戴和可植入应用，要求高精度和小尺寸。然而，水凝胶由于其高含水量而难以通过传统技术图案化为高分辨率结构。研究人员提出3D打印（增材制造）和光刻技术能够快速、低成本地大规模生产基于功能性水凝胶的柔性化学传感器。得益于多种添加剂的选择和预先编程的优势，3D打印和光刻技术通常是制造下一代基于水凝胶的柔性化学传感器的理想技术。同时，还需要改进现有工艺，并制定与材料开发协同的新制造战略。
再者，基于功能性水凝胶的柔性化学传感器的最终目标是实现闭环传感系统，该系统可以部署在现实场景中，其中应考虑其电源、数据分析、通信和管理。因此，功能性水凝胶、生物电子器件和生物组织的稳健集成是该领域的另一个挑战。研究人员提出用含邻苯二酚的化合物（例如聚多巴胺、单宁酸和茶多酚）功能性水凝胶是改善自粘性能的重要策略。
最后，尽管基于水凝胶的可穿戴和可植入电子产品取得了巨大进展，但由于脱水以及异物反应的影响，同时有损伤风险，未来仍迫切需要相关研究，以改善水凝胶的长期稳定性和生物相容性。高温和干燥条件引起的水分挥发会影响水凝胶的力学性能，严重限制其使用寿命和应用场景。研究人员提出通过添加吸湿盐或保水剂来构建抗干燥的水凝胶，适用于暴露在空气中的应用。同时，可以通过控制交联方法和合成步骤，来构建具有互穿网络结构和足够的动态非共价键的功能性水凝胶，可实现其自修复能力。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsr.202300021
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》