面向人体健康监测的柔性混合水凝胶传感器研究进展

面向人体健康监测的柔性混合水凝胶传感器研究进展

【摘要】

柔性健康监测系统的发展依赖于面向应用需求设计的高性能功能材料。由天然聚合物、合成聚合物及功能组分以不同组合有机集成而成的混合水凝胶，已成为柔性传感领域前景的候选材料之一。本综述系统总结了用于构建混合水凝胶的代表性天然与合成聚合物及其可控化学修饰策略，重点讨论了不可逆共价交联、可逆共价交联与非共价交联三类交联机制的设计原理、结构–性能关系及其在实现自愈合、导电性与可拉伸性等功能中的作用；随后概述了双网络水凝胶与纳米复合水凝胶两类典型混合水凝胶传感器的结构特征、制备方法与功能设计策略，并总结了其在压力、应变、温度传感及伤口管理中的代表性应用。最后，讨论了混合水凝胶柔性传感器面临的关键挑战与未来发展趋势。

【关键词】混合水凝胶；柔性传感器；健康监测；双网络水凝胶；纳米复合水凝胶；交联机制

1 引言

随着信息、数字化与人工智能技术的革命，柔性电子器件凭借可拉伸、可弯曲、可压缩并能承受大形变的能力，在数字医疗健康领域展现出巨大潜力，可实现对人体物理信号（压力、张力、温度）与生化信息（pH、葡萄糖）的实时监测。与传统基于聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex等弹性体基质的柔性传感器相比，水凝胶——由聚合物链在水溶液中通过化学和/或物理相互作用形成的柔性软质三维网络——凭借其在力学、电学与生物功能方面的多功能性以及与天然组织的相似性，成为柔性可穿戴传感器的理想替代材料。

然而，单组分水凝胶固有地存在结构缺陷：断裂韧性低、抗疲劳性差、循环变形下裂纹不可逆扩展，难以承受可穿戴传感中反复的力学载荷。功能上，合成聚合物水凝胶结构稳定、力学变形性能好，但缺乏生物活性、皮肤粘附性与界面相容性；天然聚合物水凝胶生物相容性与生物活性优异，但力学鲁棒性与环境稳定性不足。更重要的是，单一网络无法同时集成稳定的导电通路、适宜的力学性能、牢固的界面粘附、自愈合能力、抗冻抗干特性与生物活性。因此，高性能水凝胶传感器的开发日益转向混合协同策略：通过组分优化、交联设计与功能响应单元的集成，精确调控网络架构与电学性能；借助氢键、静电相互作用、金属–配体配位及动态共价键等多尺度交联机制构建混合网络，可显著增强水凝胶的动态可逆性与自愈合能力，从而保证结构稳定与长期可靠的传感性能。

针对以上问题，湖南大学的莫富灏，马来亚大学的Shi Wei、Ching Yern Chee、Chuah Cheng Hock在Small期刊上发表了题为“Recent Advances in Flexible Hybrid Hydrogel-Based Sensors for Human Health Monitoring"的论文。本文系统综述了面向柔性传感与健康监测的混合水凝胶研究进展（图1）：首先总结关键天然与合成聚合物的结构特征与可修饰位点，随后概述支撑混合水凝胶网络设计的相互作用与键合策略，接着评述双网络与纳米复合两类代表性混合水凝胶体系，重点介绍其在应变、压力、温度传感及伤口管理中的最新进展，最后讨论该领域面临的关键挑战与未来方向。

图1 混合水凝胶传感器的综合框架：将材料设计、相互作用要求与实际应用（压力、应变、温度传感与伤口管理）相关联

2 混合水凝胶的聚合物基体

在混合水凝胶传感体系中，聚合物的选择取决于分子架构与信号转导机制之间的结构相容性：主链刚柔性、官能团类型与密度、极性及可修饰位点共同调控网络拓扑与导电通路形成，进而决定传感器的灵敏度、线性范围与循环稳定性。含可电离基团（如—COOH、—NH₂）的聚丙烯酸（PAA）、壳聚糖（CS）、海藻酸盐（AL）、透明质酸（HA）等聚合物在水合环境中部分解离产生离子，建立连续离子导电网络；热响应体系如聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）则通过亲水–疏水平衡驱动的相变调控导电通路。此外，可修饰位点赋予材料功能扩展能力：将甲基丙烯酸酯、儿茶酚、硼酸或巯基等基团引入合成或天然聚合物，可构建光交联、金属配位或动态共价网络，实现自愈合、界面粘附与信号放大等功能。

2.1 合成聚合物

合成聚合物凭借可精确调控的力学性能与降解速率，在传感器领域应用广泛（图2）。PNIPAM是典型的低临界溶液温度（LCST）型热响应聚合物，其单体结构中亲水酰胺基团与疏水异丙基的竞争相互作用使其在约32°C发生温度诱导相变，可通过共聚、接枝、交联及引入无机盐等策略调节LCST至近体温，用于可穿戴多模态传感与温度响应层。聚丙烯酰胺（PAM）与PAA可通过光引发自由基聚合形成光交联网络，性能可通过改变合成条件、共聚单体与化学修饰灵活调控。聚乙烯醇（PVA）可经冻融循环形成物理交联水凝胶，其侧基羟基易被（甲基）丙烯酸酯、酪胺或硫醇–烯等功能基团修饰实现共价交联，并可形成硼酸酯键增强网络。聚乙二醇（PEG）及其衍生物端羟基可方便地功能化，多臂PEG（如4臂PEG丙烯酸酯、4臂PEG硫醇）经光聚合或点击反应提供高且可调的交联密度，并适用于3D打印制造——例如Zhang等将木聚糖-g-AGE、PEGDA与4臂PEGSH结合构建双化学独立域水凝胶，硫醇–烯网络使导电率提升约9.3倍，响应时间约270 ms，可用于手指弯曲、手腕运动与压力信号监测。

图2 （a）单体及对应聚合物；（b）用于构建光交联网络的交联剂；（c）PVA链上引入的功能基团；（d）经多种功能基团修饰的PEG；（e–g）胶原、明胶与丝素蛋白的化学结构及功能基团修饰

2.2 天然聚合物

天然聚合物毒性低、生物相容性好、化学修饰位点丰富，是构建混合水凝胶的理想材料（图3）。胶原（Col）由三股螺旋自组装成纤维结构，其赖氨酸与羟赖氨酸残基的氨基可与甲基丙烯酸酐反应引入光反应基团，实现光交联。明胶（Gel）经酸或碱水解胶原获得，A型（等电点pH 7–9）与B型（等电点pH 4–5）具有不同的pH响应行为；甲基丙烯酰化明胶（GelMA）经光引发聚合形成共价交联水凝胶，是应用的策略，但其不可逆共价网络可拉伸性有限、自愈合能力受限。丝素蛋白（SF）由甘氨酸–丙氨酸重复序列排列成高度有序的β-折叠结构，可通过超声、剪切、电场等刺激诱导无规卷曲向β-折叠转变，或经甲基丙烯酰化（SFMA）实现光聚合。壳聚糖（CS）是自然界储量第二丰富的多糖，富含羟基与高活性氨基，可衍生出N-羧乙基壳聚糖、季铵化壳聚糖、甲基丙烯酰化壳聚糖及儿茶酚修饰壳聚糖等多种衍生物。海藻酸盐（AL）由M单元与G单元组成嵌段共聚物，可通过氧化、甲基丙烯酰化、降冰片烯修饰等途径调控结构与性能。透明质酸（HA）是细胞外基质多糖，其羧基、羟基与N-乙酰基可修饰为巯基化HA、酪胺化HA（HA-TA）、甲基丙烯酰化HA（HAMA）等衍生物，实现酶催化原位交联或UV交联。纤维素及其衍生物（羟丙基纤维素、羧甲基纤维素等）表面化学可调，可与合成或天然聚合物整合构建稳健的3D混合网络。

图3 （a）壳聚糖、（b）海藻酸盐、（c）透明质酸与（d）纤维素的化学结构及功能基团修饰

3 基于多种交联机制的混合水凝胶

交联策略不仅决定三维网络的结构稳定性，还直接影响导电通路的形成、应力传递行为与信号输出稳定性（图4）。不可逆共价交联网络（酰胺键、酶促交联、C–C键、C–S键）交联密度高、拓扑稳定，可防止重复载荷下网络坍塌、维持导电通路并抑制长期信号漂移，但过度交联限制链运动、降低网络延展性。动态共价键（二硫键、亚胺键、腙键、硼酸酯键）兼具结构稳定性与应力下可逆断裂–再形成的自愈合能力，可耗散能量、防止微裂纹、保持导电通路并提高信号重复性。非共价交联（离子相互作用、氢键、疏水相互作用、π–π堆叠）能量低、高度可逆，允许小形变下导电通路的快速重排以放大电响应，常与其他机制整合构建平衡灵敏度与结构稳定的多尺度网络。

图4 （a–c）水凝胶中的不可逆共价、可逆共价与非共价相互作用；（d）用于制备水凝胶的乙烯基化学结构；（e）硫醇–烯反应（自由基或Michael加成途径）

3.1 不可逆共价交联

不可逆共价键强而稳定，为混合水凝胶网络提供坚实的结构完整性，但一旦断裂无法再形成。酰胺键形成是有机合成中的关键反应，EDC–NHS偶联法生物安全性高、无残留交联基团或有毒副产物，Chen等利用PEGS-NH₂与γ-PGA建立化学交联网络并与生物表面形成酰胺键实现强湿粘附。酶促交联通过H₂O₂/HRP氧化酪氨酸、酪胺、多巴胺等酚羟基基团，可在温和条件下快速原位凝胶化。碳–碳键通过含乙烯基聚合物的光交联或热聚合形成，热聚合采用APS/TEMED/MBAA引发体系，光聚合采用I2959、LAP等光引发剂进行链增长聚合。碳–硫键主要通过硫醇–点击反应实现：硫醇–烯反应在UV或热活化下生成C–S键，条件温和、产率高且具有生物正交性；硫醇–Michael加成则在无需自由基引发剂的条件下进行，适合构建可注射体系与高稳定性、高粘附性、高灵敏度的柔性传感器。

3.2 可逆共价交联

可逆共价键通过精心选择不同动态键可有效增强传感器对外部刺激的灵敏度，并赋予自愈合与韧性（图5）。二硫键具有动态共价特性，赋予水凝胶快速凝胶化动力学；Qin等利用含二硫键的N,N′-双（丙烯酰基）胱胺与Ag NPs形成RS–Au键及硫醇盐–金属配位，构建了多响应自愈合各向异性Ag NPs/PAM（SNPP）水凝胶。亚胺键（Schiff碱）由伯胺与羰基化合物缩合形成，苯甲醛封端PEG与胺化壳聚糖组合可制备可注射、自愈合的动态水凝胶；高碘酸盐氧化天然聚合物（纤维素、海藻酸盐、透明质酸）产生醛基是生成Schiff碱的另一有效途径；光敏邻硝基苄醇化学则可在光照下原位产生醛基，实现与组织的快速湿粘附。腙键由酰肼与羰基缩合获得，稳定性优于亚胺键，可用于构建可注射自愈合水凝胶。硼酸酯键是广泛应用的动态共价键，苯硼酸（PBA）与顺式二醇的可逆相互作用赋予水凝胶自愈合、可注射及葡萄糖或pH响应特性，如Hong等利用海藻酸盐天然顺式二醇与硼酸的可逆结合构建pH响应固化粘附体系。

图5 动态键示例：（a）SNPP水凝胶的形成过程；（b）双苯甲醛PEG与N-羧乙基壳聚糖形成亚胺键；（c）CEC与OHA-AT反应形成亚胺键；（d）HA-NB光诱导醛基与氨基反应；（e）腙修饰弹性蛋白与醛基HA形成ELP-HA水凝胶；（f）含硼酸水凝胶粘附体系；（g）儿茶酚与不同官能团之间的可能相互作用

3.3 非共价交联

非共价相互作用使水凝胶具有可逆、自适应的传感特性，物理交联水凝胶通常无需有害化学交联剂，细胞毒性低、生物相容性好，并具备可注射与自愈合能力，但连续或高强度应力下力学强度较低。离子交联可在室温与生理pH等温和条件下快速成胶：海藻酸盐/PAM水凝胶经Ca²⁺交联可拉伸至原始长度的20倍以上，断裂能达9000 J/m²；三价阳离子（Al³⁺、Fe³⁺）同时与多个羧基相互作用，增强离子键强度与可恢复性。氢键在富含羧酸、胺、羟基与酰胺基团的生物聚合物中广泛形成，弱氢键在调控力学行为、溶胀能力与降解速率中起关键作用，多价氢键（如UPy）与疏水屏蔽结合可构建稳健网络。疏水相互作用驱动疏水或非极性分子自发聚集，水溶性聚合物中引入非水溶性端基、侧链或单体可形成物理交联。π–π堆叠发生在芳香环之间，PVA可在冻融循环中组织微晶，反复冻融强化微晶提高结晶度与稳定性，将结晶引入缠结聚合物网络可制备既强又韧的水凝胶。

3.4 儿茶酚化学

儿茶酚化学受贻贝粘附启发，酚羟基赋予其独特的共价与非共价相互作用能力：儿茶酚丰富的羟基是优良的氢键供体，可形成比水更强韧的双齿氢键，替代表面水分子实现牢固粘附；儿茶酚还可通过金属配位、Schiff碱反应、Michael加成及硼酸–儿茶酚相互作用形成交联，并被氧化成高反应活性醌形式，与硫醇、胺等亲核化合物反应。儿茶酚基混合水凝胶具有优异的自愈合与可逆交联能力，在长时间变形或外力作用下不仅保持结构完整性，还能在损伤后恢复传感功能，同时赋予强粘附性实现与生物组织的稳定贴附，并响应力学、温度与pH等外部刺激，非常适合长期稳定的可穿戴健康监测器件。

4 双网络混合水凝胶传感器

双网络（DN）水凝胶解决了传统单网络水凝胶力学稳定性低的固有问题，并具有多功能特性。根据交联策略，DN水凝胶可分为三类：化学–化学交联（CCC）网络、物理–物理交联（PPC）网络与物理–化学交联（PCC）网络（图6），制备方法包括一锅混合、两步聚合、分子支架技术以及与3D打印、内模等方法的组合。

图6 （a）不同类型交联网络的DN水凝胶示意；（b）两步聚合法；（c）分子支架法；（d）合成CCC DN水凝胶；（e）合成与天然CCC DN水凝胶

4.1 化学–化学交联DN水凝胶

Gong团队报道的经典DN水凝胶是CCC DN的代表，通过两步顺序自由基聚合实现：第一步聚电解质单体形成第一共价交联网络，第二步渗入第二单体聚合形成柔性第二网络；也可采用分子支架法（以PDMAAm为主网络、PAM为次网络）获得与传统聚电解质DN凝胶相当的力学性能。Means等制备的PAMPS/P(NIPAAm-co-AAm) DN水凝胶表现出软骨样弹性模量（约1 MPa），压缩应力较单网络提高50倍至约25 MPa；Yin等以PAMPS为主网络、两性离子PCDME为次网络构建的CCC DN水凝胶兼具优异力学性能与抗生物污损能力。引入Schiff碱、酰腙、二硫键、硼酸酯键等动态共价键作为第一可逆网络，可实现能量耗散与自恢复：Huang等报道的CMCS/DACNC-PAM DN水凝胶利用可逆亚胺键耗散能量、PAM网络稳定结构，可拉伸性超400%，拉伸应力250 kPa，压缩应力8 MPa，室温12 h自恢复率约81.3%。

4.2 物理–物理交联DN水凝胶

PPC方法用于设计兼具强度与韧性的DN水凝胶，且避免了化学交联网络中有毒化学试剂的问题（图7）。Cao等利用静电相互作用与配位键构建的CS/PAA DN水凝胶在Ag⁺浓度为1–1.5 mol/L时，峰值拉伸应力达24 MPa，应变超600%，韧性84.7 MJ/m³；含Fe³⁺配位与链缠结的全物理交联DN水凝胶恢复断裂应力1.4 MPa、应变约700%，自愈合性能显著。Chen等以氢键缔合琼脂为第一网络、HAP为第二网络构建的HAP/Agar水凝胶拉伸强度0.267 MPa、应变5260%，耗散能9.35 MJ/m³、撕裂能1000 J/m²，抗疲劳性优异；Zhang等以两亲性三嵌段共聚物PBMA-b-PMAA-b-PBMA为第一网络、PAM为第二网络，利用第一网络亲水中间嵌段与PAM间的强氢键同时提升力学性能与可恢复性。

图7 PPC DN水凝胶示例：（a）PAA-Fe³⁺/CS PPC DN水凝胶的构建；（b）B-DN PPC DN水凝胶的制备；（c）稳定多层结构DN网络示意；（d）复合水凝胶浸入NaCl溶液获得DN水凝胶；（e）浸入Na₂SO₄与Na₃Cit溶液制备的DN水凝胶；（f）HRP/H₂O₂交联的DN水凝胶；（g）Alg/PAM/S15_RsDC DN水凝胶的重塑、干燥与离子交联过程

4.3 物理–化学交联DN水凝胶

PCC DN水凝胶在单一体系内整合多种物理与化学相互作用，凭借物理相互作用在加载时吸收能量、卸载或休息时重新形成的有效能量耗散机制，实现优异的力学稳定性与自愈合性能。研究实例包括：基于PBA–二醇酯键与Ca²⁺–海藻酸盐双可逆相互作用的三重形状记忆超分子水凝胶；Che等利用3D打印构建的高强度柔性DN水凝胶（用于创伤性脑损伤治疗）；Yang等开发的CS/PAM混合DN水凝胶中，CS微晶物理网络作为牺牲键耗散能量、PAM网络稳定变形抑制裂纹扩展，拉伸强度达2.12 MPa，兼具优异自愈合与抗疲劳能力；盐辅助策略可简便调控DN初始网络结构；Choi等将棒状无机填料SBA-15微棒引入Alg/PAM体系，构建模拟组织结构的层级各向异性DN水凝胶，微棒有效促进聚合物网络内能量耗散。

导电DN水凝胶通过化学–化学、物理–物理或物理–化学交联网络构建导电通路（图8）：离子导电DN水凝胶依赖网络内自由离子或聚合物链上带电基团。Luo等开发的全物理交联PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺ DN水凝胶拉伸强度2.1 MPa（590%伸长率），可承受1 kg重物，应变0–50%、50%–100%、100%–300%区间GF分别为1.7、1.9与2.3，响应/恢复时间402/509 ms，500次拉伸循环性能稳定。Wu等采用一锅法以QCS、AA与HEMA结合单宁酸（TA）物理交联剂制备导电DN水凝胶，多重氢键与静电相互作用赋予低溶胀（<5.5%）、高可拉伸性（约990%）与强粘附（59 kPa），实现水下实时可靠通信。添加盐类（NaCl、LiCl、ZnCl₂、CaCl₂）是构建DN传感器的一种成功方法：Wang等开发纤维素/PVA DN水凝胶，传感器在0%–600%宽应变范围呈线性响应（R² = 0.996），响应/恢复时间268/346 ms，335次循环后保持长期稳定，可实时监测膝关节下蹲、脸颊鼓胀、手指弯曲等人体运动；水合Li⁺离子形成多重氢键稳定水分子、降低冰点，赋予抗冻性能——Zhang等构建的[Li(H₂O)ₙ]⁺氢键增强DN水凝胶韧性16.26 MJ/m³、拉伸应力4.15 MPa（1213%应变），作为压力传感器检出限低至0.016 kPa，灵敏度0.336/kPa。

图8 （a）一锅法制备用于水下通信的导电DN水凝胶；（b）纤维素/PVA DN水凝胶的制备过程及柔性应变传感器性能

5 纳米复合混合水凝胶传感器

传统水凝胶可通过改变聚合物或交联剂浓度调节物理特性，但功能有限、性能欠佳。纳米复合水凝胶通过在三维支架中引入多功能纳米材料，可获得力学增强、导电、光热转换、抗感染、抗氧化与抗炎等多重性能（图9）。制备方法主要有四种：（a）在预组装纳米材料悬浮液中形成水凝胶；（b）在水凝胶形成前后原位组装纳米材料；（c）凝胶化后将预组装纳米材料掺入网络；（d）以纳米材料作为交联剂。

图9 纳米复合水凝胶的制备方法：（a）ECM-NC纳米复合水凝胶的制备及体内栓塞测试；（b）Gel-DA/GG@Ag水凝胶的制备；（c）GelDex/MBGN与GelDex-AMBGN粘附剂中的交联化学；（d）PDA-Au NPs的制备及PNAm-PDAAu纳米复合水凝胶的制备流程

5.1 预组装纳米材料法制备

方法是将预组装纳米材料悬浮液与水凝胶前驱体混合，可在水凝胶形成前嵌入多种纳米材料。Hu等将纳米黏土（NC）整合入dECM水凝胶（ECM-NC），显著提升力学应力与抗菌特性，用于栓塞过程中的有效重塑；Wang等将石墨相氮化碳（g-C₃N₄）与纤维素纳米晶（CNCs）两种纳米材料作为填料改善力学性能。此方法的缺点是高含量纳米材料可能影响分散与最终性能。

5.2 原位纳米材料形成法

生物矿化是一种简便、环保的技术，通过控制pH、离子浓度与成核过程，以有机大分子为软模板获得稳定、均匀、结构规整的金属纳米材料。典型过程如：含酚基修饰明胶将Ag⁺还原为Ag NPs，再与硼酸、瓜尔胶构建可注射抗氧化水凝胶（Gel-DA/GG@Ag），Ag NPs与光热效应协同实现优异光热与杀菌性能；另一种途径是在预成型水凝胶内原位组装纳米粒子，可最大限度减少颗粒团聚并构建高浓度纳米载体体系，例如在含巯基共聚单体的NIPAM网络中引入Au(III)离子，再加还原剂（NaBH₄）受控形成Au NPs。

5.3 凝胶后掺入法

该方法将预组装纳米材料在凝胶形成后掺入水凝胶，利用交联网络的多孔性将小于孔径的颗粒扩散进入，优势在于水凝胶与纳米材料可分别制备，避免两者交叉干扰并最小化团聚。例如将高度分散的Au NPs掺入模板生长的PAM水凝胶多孔通道，Pt与Au NPs嵌入PAM水凝胶均获得高分散性，纳米粒子可通过向内扩散无缝整合。

5.4 纳米材料作交联剂

对纳米材料表面进行功能化修饰以增强与目标聚合物的相互作用，使其充当交联剂。Tang等将胺基接枝到介孔生物活性玻璃纳米粒子（AMBGNs）上，构建高度整合的无机–有机结构（GelDex/AMBGN），压缩模量优于裸GelDex与同浓度MBGN体系，且对猪骨组织粘附牢固；PDA-AuNPs通过共价与非共价键充当交联点，PNAm-PDAAu水凝胶压缩应力达230 kPa，为未修饰Au体系的2倍。此方法依赖水凝胶–纳米材料相互作用形成稳定混合架构，限制聚合物与纳米材料的选择范围，且均匀分散与稳定界面结合仍具挑战。

导电纳米复合水凝胶通过四种策略将导电纳米材料（碳纳米管CNTs、还原氧化石墨烯rGO、炭黑、MXene、Ag/Au纳米线、PANI、PEDOT、PPy等）引入聚合物网络，兼具水凝胶的柔韧可拉伸性与纳米材料的优异导电性（图10）。Zhang等构建的AgNWs/CB–OH/PVA/TA/PAM纳米复合水凝胶中，修饰CB模拟胞体、AgNWs代表神经突起，应变灵敏度在0%–160%、160%–300%、300%–355%区间GF分别达5.17、9.21与68.64，响应/恢复时间100/200 ms，并兼具0–8 MPa以上多段压力检测能力。Li等通过多巴胺修饰CNTs（PDA@CNTs）原位聚合制备PAM纳米复合水凝胶，自愈合效率97.3%，应变传感器400%应变下灵敏度3.93、响应时间76 ms，并构建自供电智能戒指用于康复训练。Salimiyan等经硫醇–烯点击反应制备壳聚糖/硫醇化氧化石墨烯导电可降解纳米复合水凝胶，压缩模量提升400%以上、形状恢复提升300%，导电率0.35 S/m，响应时间140 ms，GF在0%–10%、10%–40%、40%–60%区间分别为0.3、2.8与11.6。Tian等开发的自供电自愈合抗冻纳米复合水凝胶（PAGCA）由PAM、明胶与AgNP修饰CNT原位聚合而成，灵敏度1.87（0%–113%），响应/恢复时间206/163 ms，60°C自愈合2 min后保持98%传感效率，在30°C与−30°C均稳定工作，细胞存活率>95%且对大肠杆菌杀灭率100%。

图10 （a）壳聚糖/硫醇化氧化石墨烯导电纳米复合水凝胶用于传感；（b）具有自愈合、抗冻、应变传感、细胞相容性与抗菌活性的PAGCA水凝胶传感器

6 混合水凝胶传感器的健康监测应用

混合水凝胶的传感能力源于网络拓扑、交联方式、界面相互作用与导电/离子传输通路的协同整合。在压力、应变或温度等外部刺激下，材料内部发生聚合物链取向、交联点可逆解离、微相重排与导电通路重构等多尺度结构演化。双网络与纳米复合策略是提升传感性能的两条重要途径：通过优化材料组成与网络架构，可在高灵敏度、低滞后与长期稳定性等关键指标间取得平衡。

6.1 物理信号监测：压力、应变与温度

压力传感器将外部压力转换为电信号：压缩变形使网络厚度减小、有效导电通路增多，电阻通常下降（图11）。灵敏度、宽检测范围与线性度是评估压力传感性能的关键参数，低滞后与快响应/恢复时间反映网络的粘弹性行为。Zhang等报道的PAM/CMC/DA/MXene混合水凝胶压力传感器压缩回弹性>90%、检测范围0–500 kPa、长期稳定性超6700 s，可实现人体关节运动、摩斯电码编码与机器人压力触发运动控制。模板化与微结构工程可有效增强灵敏度：Li等采用不锈钢网模板构建疏水PAM/丝素（HSF）仿皮肤电容式压力传感器，微结构化介电层使灵敏度从0.01提升至0.4/kPa（0–5 kPa），检出限低至12 Pa；Jiang等设计的随机微尖刺AL/AM混合水凝胶表面喷墨打印MXene层，灵敏度15.03/kPa、检出限10 Pa、检测范围0.12–70 kPa，响应/恢复时间40/100 ms，并具−20°C低温耐受性。

应变传感器共形贴附于人体表面，将力学变形转换为电信号，电阻式应变传感器因结构简单、信号输出稳定而被广泛采用。Yao等将CNFs引入PBA-IL/PAM基体构建互穿混合网络的PBA-IL/CNF离子水凝胶，动态硼酸酯键与多重物理相互作用赋予高可拉伸性（1810%±38%）、高韧性（2.65 MJ/m³）、优异自愈合效率（92%±2%）与粘附性，宽应变范围（约1000%）下GF达8.36，可实时检测与区分多种人体运动。Jiang等通过预拉伸在PAM/N-CQDs/甘油水凝胶表面构建微裂纹MXene/CNT导电层，裂纹动态开合实现高灵敏检测与可视化反馈，可检测应变0.2%、最大灵敏度10.92、检测范围达2050%，且−30°C仍保持柔性。相比之下，离子导电水凝胶依靠水相中均匀分布离子的迁移导电，连续离子传输通路不依赖固态填料网络的结构完整性，在大变形与循环应变下表现出优异的电学稳定性。

温度传感对炎症评估、感染预警与伤口修复过程监测至关重要。基于电阻变化的温度传感机制中，灵敏度由电阻温度系数（TCR）量化：Dong等将PANI纳米纤维嵌入PAA网络构建仿生温度传感器，热灵敏度−0.016/°C；Hao等将TA包覆CNCs引入热响应PAM/PEDOT:PSS网络并以甘油部分替代水，构建兼具共形接触、自粘附与力学鲁棒性的温度传感器，热灵敏度1.43%/°C、分辨率1°C，200次锤击后电流变化<9%；Li等为医用手术导管设计生物相容界面匹配水凝胶涂层，温度电阻响应系数2.90%/°C（R² = 0.998）、测量精度0.1°C，10000次循环后性能稳定，可实时追踪感染部位温度变化实现早期预警。基于热致变色效应的温度传感器则提供视觉反馈：PNIPAM基体随温度发生体积相变产生结构色变化（31–38°C范围内反射峰与温度近似线性相关）；Yuan等将不同临界转变温度的微胶囊（TCPs）整合入PVA/PEG机械基体，在36–39°C范围内以0.5°C间隔实现清晰变色。电阻变化型传感器灵敏度高、信号读取直接，但易受应变、湿度与离子浓度干扰；热致变色型无需外部电路即可直观呈现温度，但响应速度较慢且颜色识别受光照影响。

图11 （a）MXene涂覆微尖刺混合水凝胶压力传感器用于可穿戴运动监测；（b）高可拉伸、自愈合、灵敏的PAM/PBA-IL/CNF多功能混合水凝胶用于实时可穿戴运动传感；（c）用于手术导管、实现植入部位实时温度监测的生物相容界面匹配混合水凝胶涂层

6.2 伤口愈合监测

伤口愈合是包含止血期、炎症期、增殖期与重塑期的动态过程，不同阶段对应不同的微环境变化。混合水凝胶在伤口监测与调控中具有独特优势：既可作为治疗基质（可调力学顺应性、组织共形性、维持湿性微环境、电活性组分引导细胞迁移促进再上皮化与血管新生、抗氧化抗菌、生物活性分子递送），又可作为主动传感平台，将伤口压力、张力、温度、pH与葡萄糖等参数的动态变化转换为可检测信号（图12）。

压力监测用于压疮预警：基于摩擦纳米发电机（TENG）原理的PCG/PU伤口贴片将伤口及周围组织的力学压力转换为可量化电压信号，<10 V对应可耐受压力、>10 V指示高风险压力，持续超2 h可触发警报提醒患者调整体位，实现自供电实时监测。应变监测用于动态区域伤口：将鱼明胶与Ag NPs原位结合的FG-Ag生物质水凝胶集成无线传输系统，可精确区分伤口愈合过程中的拉伸、压缩、弯曲与收缩应变，并通过智能手机实时预警异常力学张力。温度监测中，Long等开发的两性离子纤维素基水凝胶（CMC/Ag⁺/PSB）在生理温度范围内电阻随温度显著下降；Jiang等将AgNWs整合入PAA-g-PNIPAM/PAM网络构建PPA-Ag导电水凝胶并集成蓝牙模块，导电率1 S/m、温度灵敏度3.5%/°C，实现36–42°C感染模型中的实时远程监测；Liu等构建的TENG-gel三层电子皮肤贴片（PDMS/PTFE膜、共晶镓铟E-GaIn与QCS/PAM/SA@MoS₂混合水凝胶）在35–45°C区间实现精确温度传感，响应/恢复时间约100/550 s；Wang等制备结构色Li⁺离子水凝胶智能伤口贴片，温度升高时水凝胶发生红→绿的颜色转变，实现伤口温度的直观可视化。

pH监测中，正常皮肤与愈合伤口呈弱酸性（pH 4–6），慢性伤口常处于碱性环境（pH 7–9），且pH变化常先于其他临床症状。Zheng等开发的PAM-QCS-CQDs-酚红混合水凝胶在UV与可见光下发生灵敏可逆的颜色变化，智能手机拍照即可转换为原位pH值，实现远程实时评估；Zhong等构建的NGPR-Zn多功能水凝胶敷料（NIPAM、乙烯基化儿茶酚羧化壳聚糖、PVA、红甘蓝提取物RCE与Zn²⁺）中，RCE赋予与伤口愈合阶段密切相关的pH响应比色特性，RGB衍生pH读数与高精度试纸高度一致；Zhang等开发的瓜尔胶/PVA/硼砂-TA探针水凝胶（GPBT）在慢性伤口碱性阶段呈绿色并释放TA调控巨噬细胞极化促进血管新生，愈合至酸性阶段逐渐变黄并可控溶解，实现视觉监测与动态匹配治疗。葡萄糖监测中，Yang等构建TA-QCMCS/OSA@GOx@AuNCs荧光传感平台，GOx催化氧化产生的H₂O₂逐渐猝灭AuNCs荧光，荧光强度随葡萄糖浓度下降，智能手机捕获荧光图像并提取RGB值实现视觉与定量分析；非酶策略中，Giovannini等构建硫黄素T基荧光分子印迹水凝胶（MIH_GSH），葡萄糖与硼酸基团结合破坏分子内氢键、降低结构刚性，使480 nm处荧光强度下降，30 min内实现选择性葡萄糖检测。

图12 伤口监测用混合水凝胶：（a）自供电混合水凝胶（PCG）伤口贴片集成PU海绵监测压疮；（b）FG-Ag生物质混合水凝胶集成无线传输系统实时监测伤口应变；（c）集成AgNWs的PNIPAM基水凝胶实时监测伤口温度；（d）三层电子皮肤贴片（TENG-gel）精确温度传感；（e）具pH响应比色特性的多功能混合水凝胶传感器用于体内实时伤口监测

总体而言，当前混合水凝胶伤口传感系统已基本实现覆盖临床相关生理阈值的检测范围与灵敏度，但多数研究仍限于体外实验或小动物模型，长期稳定性、抗生物污损、信号漂移控制与个体差异校准仍需系统验证，批间一致性与标准化临床评估框架有待建立。未来应发展标准化判读、多参数数据整合算法与长期体内可靠性评估，协调推进材料设计、信号分析与临床验证。

7 总结与展望

本综述系统总结了混合水凝胶柔性传感器用于人体健康监测的最新进展：不可逆共价交联、动态共价键与物理相互作用三类机制分别影响水凝胶的力学、电学与智能响应性能；双网络与纳米复合等可调网络结构的引入显著提升了力学稳定性、自愈合、粘附与传感性能。混合水凝胶通过将天然聚合物、合成聚合物与功能组分构建为多尺度可调复合网络，兼有优异的力学、电学与生物相容性，克服了传统单组分体系在柔韧性、稳定性与功能集成方面的局限。

然而，面向实际传感应用仍存在若干挑战：第一，不同组分间界面相容性与能量匹配的精确控制仍较困难，可能导致界面缺陷或性能退化；第二，长期动态变形或复杂生理环境下导电网络的稳定性有待提高；第三，导电组分（离子或导电纳米材料）在长期使用中可能迁移，损害信号稳定性与可重复性；第四，与生物组织界面的长期生物相容性与信号可靠性尚待深入研究，标准化性能评估方案与体内外验证体系仍缺乏，限制了临床转化。

随着混合水凝胶网络的日益复杂，其电学输出常呈现明显的非线性、耦合效应与时间依赖性，智能信号处理因此成为解码材料多参数响应的关键。机器学习与多维数据分析可将复杂原始电信号转换为可靠的生理信息，充当材料架构与实际传感功能之间的桥梁。未来研究应聚焦：（1）阐明混合水凝胶的层级结构–性能关系，构建具有梯度组织与动态可逆性的多尺度网络；（2）开发对温度、pH、离子浓度与生物分子等多重生理刺激特异性响应的混合体系，实现多模态传感与自适应响应；（3）将混合水凝胶传感器与柔性电路、无线通信与能量收集技术集成，推进自供电、可穿戴与可植入应用；（4）引入机器学习与智能信号分析，促进复杂多维健康数据的识别、建模与预测诊断，并利用智能分析反馈指导网络结构优化，建立“材料–信号–算法"协同演化的闭环设计范式。随着材料设计、结构优化与系统级集成的持续努力，兼具高灵敏度、长期稳定性与优异生物相容性的下一代可穿戴传感平台有望为智能健康医疗提供创新解决方案。