Naturally sourced hydrogels: emerging fundamental materials for nextgeneration healthcare sensing

07 May 2023

https://doi.org/10.1039/d2cs00813k

关键词：天然高分子水凝胶；医疗柔性传感；海藻酸盐；壳聚糖；自修复；可打印；生物相容性；可降解；人体生理监测

一、研究背景

传统医疗传感器大多依赖刚性电子材料，和柔软、含水的人体组织存在明显机械失配。长期贴附或者植入不仅容易造成不适，还可能导致界面脱离、信号漂移以及炎症反应。水凝胶含水量高、模量低，与生物组织相似，是理想的柔性生物电子界面。

天然多糖、蛋白质和多肽类来源的水凝胶原料成本低、可再生、可生物降解，并且天然携带羟基、羧基、氨基、酚羟基等活性位点，适合离子配位、氢键、动态共价等多种交联方式，在可持续、生物安全和可降解方面具备突出优势。

但是天然水凝胶依然存在力学性能偏弱、界面粘附、自修复和 3D 打印性能不足等现实问题。本文按照天然原料 — 关键材料性能 — 水凝胶器件 — 医疗传感应用的逻辑系统梳理综述。从海藻酸盐、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、纤维素、明胶、胶原、丝素、多酚等天然高分子出发，围绕生物相容、可降解、可打印、自修复和抗冻等关键功能，系统总结水凝胶的设计策略，进一步覆盖应变、压力、温度、湿度和生物标志物传感，真正把生物本征优势与柔性机械性能、电子 / 离子传感网络结合，为长期贴附、植入式医疗电子提供材料平台。

二、实验

2.1 实验药品

代表性天然高分子基体：海藻酸盐、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、纤维素、明胶、胶原、丝素蛋白、κ卡拉胶、阿拉伯胶、单宁酸等； 辅助网络与功能组分：PAAm、PVA、PEG/PEGDA、PEGNB、多巴胺、单宁酸等； 导电组分：CNT、rGO、PEDOTPSS 等导电聚合物； 离子交联盐：Ca²⁺、LiBr、NaCl 等金属离子盐。

2.2 实验步骤

1. 基体选择：根据医疗传感目标，选取天然多糖、蛋白质或者多肽作为水凝胶主体骨架。

2. 交联网络构建：依靠离子配位、氢键、主客体、动态共价或者永久共价构筑第一重网络；按需引入柔性第二网络构筑双网络以及动态可逆链段；通过多巴胺、单宁酸、壳聚糖等界面活性组分增强组织粘附。

3. 功能改性：若需要自修复、抗冻、离子传导特性，则进一步加入组织粘附组分、多元醇、离子盐等；引入 CNT、rGO、PEDOTPSS 等导电填料，搭建连续导电通路。

4. 成型加工：采用浇铸、涂覆、湿法纺丝或者 3D 打印加工为薄膜、纤维以及复杂结构；

5. 器件集成：将制备得到的水凝胶与柔性电极、无线读出系统集成，面向应变、压力、温度、湿度以及 ECG、EMG、生物标志物检测。

2.3 测试表征方法

材料层面：拉伸、压缩、断裂韧性、疲劳、粘附、自修复、流变、3D 打印成型性能；评价导电率、离子电导率、生物相容性、降解行为。 传感器器件层面：测试应变灵敏度、压力灵敏度、温度灵敏度、响应 / 恢复时间、检测范围、循环稳定性、信号漂移；开展手指 / 关节运动、足底压力、体温、湿度、ECG、EMG 以及生化标志物验证测试。

三、结果与讨论

图 1｜天然高分子到医疗健康传感系统整体路线图

图 1 为全文总览流程图。左侧展示植物、动物、微生物来源各类天然高分子原料；中间展示水凝胶需要实现的材料性能：生物相容性、可降解、可打印、自修复、粘附、高韧性；右侧过渡到水凝胶器件单元；最右端落地到医疗健康应用，包含穿戴 / 植入式传感、人体运动监测、生理信号、生物标志物监测。该图完整呈现从天然原料到传感器件的完整逻辑链条，重点强调不只是利用天然材料 “来源绿色”，更要利用分子上的活性基团，转化成器件需要的界面、力学与电学功能。

图 2｜常用天然高分子化学结构与水凝胶构筑单元

图 2 汇总海藻酸盐、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、纤维素、明胶、胶原、丝素蛋白、多酚、多巴胺、单宁酸等典型天然高分子分子结构式。这些天然大分子骨架上大量分布羟基、羧基、氨基、酚羟基，不只是作为水凝胶基体骨架，同时可直接用于离子配位、氢键、动态共价，提供大量化学修饰位点，为后续交联、粘附、功能改性提供基础。

图 3｜天然高分子水凝胶高机械性能设计，双网络与离子交联策略

图 3 以 Ca²⁺交联海藻酸盐 / PAAm 双网络作为典型代表。图 3a 展示双网络结构机理：刚性离子网络受力优先解离耗散能量，柔性 PAAm 网络维持整体连续；即便出现部分断裂，依然可以承担大拉伸。图 3b 进一步阐释双网络协同机制：一套网络负责牺牲耗散能量，另一套网络负责承载与恢复。该设计解决传统天然高分子水凝胶强度低、韧性差、难以承受大形变的瓶颈。

图 4｜天然水凝胶组织粘附性能设计策略

图 4 展示贻贝启发多巴胺多酚分子构筑粘附水凝胶。图 4a 展示多巴胺结构，酚羟基、氨基基团，和皮肤、组织表面可以形成氢键、静电、共价多重相互作用；其余子图展示粘附、剥离、无残留实物效果。对于医疗传感，组织粘附是保障界面不滑移、降低界面阻抗、实现长期稳定信号采集的关键。

图 5｜天然水凝胶的自修复能力与动态共价设计

图 5 展示动态共价键驱动自修复水凝胶。图 5a 为基于席夫碱、酰腙键等动态共价键的分子机理；图 5b 为实物演示，水凝胶切断之后，断面接触，动态键重新重建，实现力学以及导电性能恢复。自修复本质是将部分永久交联替换为可逆动态连接，材料受损之后界面可以重新建立连接，提升传感器使用寿命。

图 6｜天然水凝胶的 3D 打印能力

图 6 展示海藻酸盐、PEG 复合体系可打印水凝胶。图 6a 为海藻酸盐与 PEG 复合，利用共打印双网络，改善打印成型与网络稳定性；图 6b 展示多种复杂打印成型结构。天然水凝胶正在从简单薄膜向复杂个性化结构制造发展，为定制传感器、组织支架、植入界面提供自由度。

图 7｜应变、压力和温度传感的基本机制与信号特征

图 7 分别对应三类传感器的工作原理。图 7a 应变传感器：拉伸诱导导电通路改变，带来电阻变化；图 7b 压力传感器：受压压缩，导电单元接触概率改变；图 7c 温度传感器：温度改变离子迁移速率，实现信号输出。这张图阐明水凝胶传感物理基础，是后续各类穿戴器件的底层机理。

图 8｜在任意表面形成薄而均匀水凝胶薄层的制备方法

图 8 展示界面原位凝胶化策略。多酚修饰前驱溶液，可以在各类基材表面均匀浸润，原位转化水凝胶薄层，不需要预成型大块水凝胶。该方法适合直接在皮肤、电极表面原位构筑传感薄层，简化柔性传感器件制备流程。

图 9｜天然高分子水凝胶离子型传感器

图 9 展示离子导电型水凝胶传感体系。图 9a 为离子迁移传感机理，形变改变内部离子传输通道，离子迁移率发生变化，输出电信号；图 9bd 展示离子水凝胶传感器实物、信号响应曲线。区别于电子导电填料，离子水凝胶依靠离子迁移实现传感，更接近人体生物体系，生物相容性更友好。

图 10｜天然高分子水凝胶应变传感器与软体机器人应用

图 10 以海藻酸盐Ca²⁺离子导电水凝胶为例。图 10a 水凝胶贴附皮肤作为可穿戴传感器；其余子图展示手指弯曲、人体运动监测，同时拓展到软体机器人感知。证明天然水凝胶不仅可以人体穿戴，也可以作为柔性机器人感知界面。

图 11｜天然高分子水凝胶压力传感器

图 11 以 CNT 复合纤维素水凝胶为例。受压之后导电网络接触状态改变，实现压力信号的电信号转化。子图展示压力传感器结构、工作原理，用于人体脉搏、足底压力等生理监测。阐明复合导电填料、孔隙结构对压力传感灵敏度、循环稳定性的关键作用。

图 12｜天然水凝胶湿度传感设计

图 12 展示天然高分子水凝胶湿度响应机理。水分子进入水凝胶网络，改变内部离子迁移以及高分子链段状态，电阻 / 电容随湿度发生变化。子图展示不同湿度条件下输出信号曲线，面向呼吸、皮肤湿度等生理监测场景。

图 13｜天然水凝胶 ECG、EMG 生理电信号采集电极

图 13 展示水凝胶作为湿电极，贴附人体皮肤采集心电、肌电信号。对比传统干电极，天然水凝胶电极阻抗更低，和皮肤适配更好，采集信号信噪比更高。子图展示电极实物、人体测试、信号波形，证明天然水凝胶适合长期生理电监测。

图 14｜抗冻天然来源水凝胶传感器

图 14 展示多元醇、离子盐引入天然水凝胶体系。抑制水的冰点，实现低温环境不结冰，维持力学性能与离子导电。子图展示低温下实物状态、拉伸性能、传感响应，拓展水凝胶传感器在低温环境下使用场景。

图 15｜可降解天然水凝胶传感器件

图 15 展示多糖基水凝胶传感器的体外、体内降解行为。通过调控交联密度，实现器件在完成传感任务之后逐步降解吸收，不需要二次手术取出，面向植入式短期医疗传感。子图展示降解过程实物，以及降解过程中传感性能演变。

图 16｜天然水凝胶生物标志物检测

图 16 将识别单元引入天然水凝胶基质，构筑生化传感。针对葡萄糖、乳酸等人体标志物，水凝胶既作为柔性基体，又作为识别反应载体。子图展示传感机理、标准浓度响应曲线，实现力学传感 + 生化检测一体化。

图 17｜多功能集成天然水凝胶医疗传感器件

图 17 展示多信号集成水凝胶器件，同时采集应变、压力、温度、生化多重信号。图中展示器件结构、多通道信号输出。解决传统单一传感器只能监测一种信号的局限，更加贴近复杂人体生理监测真实需求。

图 18｜挑战与未来发展展望总结图

图 18 系统总结当前天然来源水凝胶医疗传感现存挑战：力学功能平衡、长期抗干燥、生物体内稳定性、大规模制备、器件封装。同时给出未来发展方向：原料绿色升级、多信号协同传感、植入体内长期稳定、可降解闭环医疗器件，为该领域后续研究指明方向。

四、全文总结

该综述系统梳理海藻酸盐、壳聚糖、明胶、纤维素、丝素、多酚等天然来源高分子用于下一代医疗健康水凝胶传感器的完整研究进展。

天然高分子自带大量羟基、羧基、氨基、酚羟基活性位点，可以通过离子配位、氢键、动态共价等多种交联方式，构建双网络、粘附、自修复、3D 打印、抗冻、可降解多功能水凝胶材料。通过复合导电填料或者离子盐，实现离子 / 电子传导，进一步做成应变、压力、温度、湿度生理电以及生化标志物多类型传感器，可用于人体运动监测、ECG/EMG 生理信号采集、植入式医疗监测、软体机器人等众多场景。

同时文章客观指出该体系现存短板：天然水凝胶力学与功能平衡难度大、容易失水干燥、体内环境稳定性不足、规模化加工封装仍然存在壁垒。未来需要进一步挖掘天然高分子分子优势，兼顾力学性能、界面生物适配、可降解特性，推动绿色天然水凝胶从实验室走向实际医疗传感应用。