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近期，可穿戴生物传感器和生物电子学的进步推动了个性化健康管理设备创新设计的发展，其中生物相容性导电纳米复合水凝胶作为软电子工程的一种有前景的构建模块脱颖而出。
来自美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的Nasim Annabi团队提供了一个使用这些工程化纳米复合水凝胶推进生物传感器的全面框架，突出了它们的独特性能，如高电导率、灵活性、自修复性、生物相容性、生物可降解性和可调节的结构，拓宽了它们在生物医学领域的应用。我们总结了纳米复合水凝胶用于人体热学、生物力学、电生理学和生物化学传感应用的关键特性，纳米复合水凝胶设计和合成的最新进展，以及开发柔性和可穿戴设备的最新技术。本综述涵盖了多种传感器类型，包括应变传感器、生理传感器和电化学传感器，并探索了它们在个性化医疗中的潜在应用，从日常活动监测到多功能电子皮肤应用。此外，我们还强调了这些软设备的设计蓝图、工作流程、性能、检测限和灵敏度。最后，我们讨论了先进纳米复合水凝胶在可穿戴传感器中的挑战、前景和未来展望，旨在提供其在医疗应用中当前状态和未来潜力的全面概述。相关工作以题为“Advances in conducting nanocomposite hydrogels for wearable biomonitoring”的综述文章发表在2025年02月10日的期刊《Chemical Society Reviews》。
【主要内容】
本文探讨了导电纳米复合水凝胶在可穿戴生物监测中的变革潜力。在这方面，将讨论纳米复合水凝胶用于多种传感应用的关键特性，如生物力学、电生理学和生物化学传感（图1a）。然后，将重点介绍涉及将纳米材料整合到水凝胶中的不同合成策略，包括化学和物理混合，以及界面化学。此外，还将讨论用作纳米复合材料添加剂或纳米填料的各种纳米材料，如碳质材料、本征导电聚合物纳米材料、MXenes以及各种无机/有机纳米材料。随后将总结每种纳米材料在增强纳米复合水凝胶关键性能方面的作用，如导电性、机械强度、粘附性、自修复能力和敏感性。此外，本文将展示这些纳米复合水凝胶在柔性和可穿戴生物电子应用中的有前景的近期实际应用，包括应变、运动、电生理学、环境和电化学传感器。最后，我们将总结纳米复合水凝胶基生物电子领域的当前挑战、潜在机遇和未来方向，强调其适用于长期、实时连续健康监测的特点。
用于可穿戴生物监测的导电纳米复合水凝胶领域已显著增长，反映了其新颖性和日益增长的研究兴趣。Web of Science的搜索结果显示，从2015年到2024年，关于导电纳米复合水凝胶用于可穿戴生物监测关键词的出版物数量有所上升。进一步将焦点缩小到柔性电子器件上，从2017年到2024年共发现了407篇出版物（图1b）。这些趋势突出了使用这些先进材料开发柔性、可穿戴设备的研究努力在不断扩大。
图1用于可穿戴生物监测应用的纳米复合水凝胶示意图
【用于人体健康监测传感器的纳米复合水凝胶的关键特性】
纳米复合水凝胶因其固有特性与纳米颗粒（NP）增强功能的独特结合，已成为人体健康监测传感器的有前景材料。这些先进材料具有水凝胶的灵活性、生物相容性和高含水量特点，同时利用纳米颗粒的量子特性来增强其传感能力。纳入纳米颗粒引入了诸如高表面积与体积比、量子隧穿效应以及尺寸依赖的光学、电学和磁学特性等关键特征。这些属性对于有效的热、生化、生物力学和电生理传感至关重要。
通过整合导电纳米颗粒或聚合物，纳米复合水凝胶的增强导电性促进了从组织到外部监测设备的高效信号传输（图2a）。在与生物系统接口时，这一点尤为重要，因为水凝胶可以在软组织和刚性电子元件之间形成无缝桥梁，提高信号质量并减少运动伪影（图2b）。此外，水凝胶通过增强与生物组织的接触来降低阻抗，从而改善信号传输。这种降低最大限度地减少了信号损失，确保了更准确的生物电子记录。而且，纳米复合水凝胶的多功能性允许在一个平台上组合多种传感模式，实现全面的健康监测。它们的自修复性和高伸展性也有助于传感器的耐用性和一致性能，即使在大变形下也是如此。
图2 生物传感应用中涉及的不同化学层示意图
图3 将纳米材料整合到水凝胶网络中以合成纳米复合水凝胶的关键化学过程的示意图
【用于制备作为可穿戴生物传感器的导电纳米复合水凝胶的多种纳米材料的分类】
量子点是半导体纳米晶体材料，通常尺寸在1-10纳米之间，由于量子限域效应而呈现出独特的光学和电子特性。碳基量子点，即碳量子点（CQDs）和石墨烯量子点（GQDs），是两种表现出这些量子效应的量子点。碳量子点具有可调的光致发光性和低毒性，使它们适用于生物成像、传感和光电子设备。量子点可以通过自上而下的方法（例如，电弧放电、激光烧蚀）或自下而上的方法（例如，超声处理、热解）（图4a-i）合成。它们还可以用各种材料进行功能化，如抗体、适体、药物、基因、杂原子和反应性官能团，以增强其在包括可穿戴生物传感在内的生物医学应用（图4a-ii）。
将量子点集成到水凝胶基质中为生物传感器应用提供了诸多益处。这些益处包括由于量子点优异的光电特性而提高的灵敏度，使得能够高灵敏地检测各种生物分子。这种集成还通过利用量子点的半导体性质，促进了实时和非侵入性的生物监测，这为动态生物活动提供了快速响应时间。此外，量子点的光致发光特性实现了对体液中生物标志物的非侵入性监测，为疾病的进展和治疗效果提供了见解。量子点的可调性受其尺寸影响，直接影响其电子和光学特性，包括带隙能量和发射波长。它们表现出高光致发光量子产率和窄发射线宽。此外，量子点表现出激发依赖性发射，其中发射波长和荧光强度根据激发波长而变化（图4b-i）。这种行为的发生是因为光激发的电子从π–π*跃迁放松到sp2能级或缺陷态，从而根据激发过程中访问的特定能级产生从蓝到红的不同发射（图4b-ii）。而且，由于其生物相容性和能够从体内清除而不产生不良影响的能力，量子点已被用于体内和体外生物监测应用。
图4 量子点（QDs）在生物传感技术中的合成与特性
Ryplida等人还报道了基于VA、CS和氟化二氧化硅纳米颗粒（NPs）合成亲水/疏水纳米复合水凝胶的研究，该水凝胶集成了疏水功能化的碳量子点（CQDs）用于监测压力，可用来检测人类的生物力学运动。首先，制备了氟化二氧化硅纳米颗粒，然后将其分散在水/乙醇混合物中并经过水热处理，以产生混合的碳-二氧化硅荧光量子点（f-CQDs）。将f-CQDs与PVA和儿茶酚接枝的CS混合，搅拌，并经过冷冻-融化过程形成复合水凝胶（图5a-i）。所得到的具有可控亲水-疏水内部结构的水凝胶基传感设备表现出刚性结构（剪切模量为8123.1 N m−2），与亲水性水凝胶（剪切模量范围从6065到7739 N m−2）相比，具有高疏水性。此外，通过在不同力量下压缩时电子电阻率（高达17.3 ± 1.3%）和电容（高达145%）的变化，证实了所开发的复合水凝胶的压力响应特性（图5a-ii）。另一种可见光响应的亲水/疏水纳米复合水凝胶基传感器也被合成用于无线应变传感和抗污性能监测。PVA作为骨架，通过冷冻-融化方法集成了单宁酸（TA）和CQDs。
图5 量子点（QDs）集成复合水凝胶的合成与应用
本文还合成了一种多功能双网络（DN）水凝胶复合材料，用于远程驱动和低温应变传感。该水凝胶是使用AAm、Alg和CNTs通过离子键和共价交联合成的。加入CNTs是为了调节水凝胶的性能以实现智能驱动，而添加氯化钙则增强了其在低温环境中的功能。值得注意的是，这种复合水凝胶的物理化学性质即使在−20 ℃下也保持不变。所得到的可穿戴生物传感设备展示了一种防冻水凝胶基应变传感器的实际应用，该传感器能够在低至−20 ℃的温度下监测人类运动。在先前工作的基础上，Sun等人开发了另一种多功能复合水凝胶，能够传感多种参数，包括温度、湿度以及包括脉搏在内的人类运动。这种导电纳米复合水凝胶是通过将含有功能化CNTs和植酸的羧化纤维素纳米原纤维（CNF）混合到PAAm网络中，利用自由基聚合（FRP）和甘油（Gly）溶剂置换来制备的（图6a-i）。功能化CNTs和植酸电离的结合增强了水凝胶的导电性，提高了其作为多模态传感平台的性能。这种水凝胶表现出从−30 ℃到60 ℃的宽温度检测范围（图6a-ii和a-iii），并通过相对电阻的变化有效地检测了23%至85%之间的湿度水平（图6a-iv）。此外，它还能够传感精确的生理运动，包括如脉搏这样的细微动作。
图6 用于生物传感应用的碳纳米管（CNTs）掺杂纳米复合水凝胶
有许多关于基于石墨烯（GN）及其衍生物的复合水凝胶用于制造可穿戴和柔性设备以实时监测应变和人体物理运动的报道。例如，Li等人介绍了一种新颖的手势识别系统，该系统将基于水凝胶的应变传感器与机器学习技术相结合以支持手指康复训练。AAm和Alg的自由基聚合（FRP）反应被用来合成主要的聚合物骨架，并通过多种相互作用（包括氢键、静电力和范德华力）将TA-rGO嵌入网络中（图7a-i）。TA-rGO的加入增强了原始水凝胶网络的机电特性。所制备的应变传感器在分析患者手指运动和机器学习算法时表现出高线性（0.999）（图7a-ii），提高了患者的康复效果。同样，TA-rGO也被合成并用于实时监测各种生理活动，包括说话、吞咽、面部表情变化和关节活动。利用化学和离子交联方法创建了一种双网络（DN）水凝胶。N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）用于化学交联，而离子交联则是通过柠檬酸根离子在CS和AAm之间实现的。这种DN纳米复合水凝胶表现出组织粘性，在直接应用于人体皮肤9小时时不会引起炎症、过敏或发红。
图7 将石墨烯（GN）衍生物整合到水凝胶中以增强生物传感能力
最近，在可穿戴生物监测领域，除了通常讨论的含碳纳米填料外，研究人员探索了使用各种纳米填料。通过快速紫外线引发，研究人员使用CNC作为物理交联剂和增强剂开发了一种两性离子水凝胶。这种水凝胶被用来创建一个用于检测人类动作（包括手指触摸和语音识别）的皮肤粘性贴片。它在个人医疗应用中有潜力，包括患者的感官康复和生理数据的获取。这款经过设计的透明两性纳米复合水凝胶表现出了卓越的机械性能，拉伸性超过1000%，抗拉强度达到0.61 MPa，压缩强度高达7.5 MPa，同时也表现出了优越的离子传输性能。在不同压力和频率（0.5、1.0和1.5 Hz）下进行压缩循环时保持了敏感性。在另一项研究中，通过自由基聚合（FRP），将CNC整合到涂有聚苯胺（PANI）的疏水相关聚丙烯酰胺（HAPAAm）链中，形成了一种具有增强机械性能的坚固纳米复合水凝胶（图8a-i）。冷冻扫描电子显微镜（SEM）图像显示，HAPAAm/CNC/PANI复合材料具有分布均匀的大孔隙（图8a-ii）。这两种基质（两性离子水凝胶和PAAm/CNC/PANI复合水凝胶）都被用来制造可穿戴生物传感器，以实时检测人类的生理动作。
图8 将其他碳质材料整合到水凝胶中用于生物传感应用
通过将MXene与PVA结合，通过两步工艺合成了嵌入式MXene的PVA/PVP双网络（DN）水凝胶，涉及微波辅助的醇醛缩合和冻融循环，用于柔性应变和压力传感器（图9a）。该传感器表现出快速的响应时间（33.5毫秒）和低压力检测限（0.87帕）。另一项研究加入了PVA、羟基功能化的MXene（MXOH）和六方氮化硼（hBN），其中MXOH改善了阻抗（图9b-i）和导电性（图9b-ii）。此外，hBN填充了MXOH片层之间的空隙，增加了离子传导并增强了MXOH的隧道效应（图9b-iii）。通过冻融工艺，硼与细菌纤维素交联也产生了一种生物相容性传感器，用于追踪身体运动。这种水凝胶由于含氧官能团的存在而粘附在各种基底上，包括铝、锌、铜、铁、纸、木材、玻璃和橡胶。有趣的是，将这种基于水凝胶的传感器集成到输液袋中，可以精确追踪输液袋内的液体体积，使其适用于临床环境中跟踪输液袋液位等应用。
图9 将MXenes整合到水凝胶中用于高级生物传感器应用
通过将MXene与PVA结合，通过两步工艺合成了嵌入式MXene的PVA/PVP双网络（DN）水凝胶，涉及微波辅助的醇醛缩合和冻融循环，用于柔性应变和压力传感器（图9a）。该传感器表现出快速的响应时间（33.5毫秒）和低压力检测限（0.87帕）。另一项研究加入了PVA、羟基功能化的MXene（MXOH）和六方氮化硼（hBN），其中MXOH改善了阻抗（图9b-i）和导电性（图9b-ii）。此外，hBN填充了MXOH片层之间的空隙，增加了离子传导并增强了MXOH的隧道效应（图9b-iii）。通过冻融工艺，硼与细菌纤维素交联也产生了一种生物相容性传感器，用于追踪身体运动。这种水凝胶由于含氧官能团的存在而粘附在各种基底上，包括铝、锌、铜、铁、纸、木材、玻璃和橡胶。有趣的是，将这种基于水凝胶的传感器集成到输液袋中，可以精确追踪输液袋内的液体体积，使其适用于临床环境中跟踪输液袋液位等应用。
图10 将银（Ag）纳米粒子（NPs）整合到水凝胶中用于开发高级生物监测系统
最近，将Ag NWs整合到硫醇改性的明胶中，得到了一种纳米复合水凝胶，其抗拉强度为0.5兆帕，延展性为350%，导电性为10 S m−1。明胶主链上的硫醇基团促进了与银的共价相互作用，导致纳米线均匀分布并增强了机械强度。这些经过设计的导电纳米复合材料表现出了令人印象深刻的传感能力（GF = 2.4），优于纯明胶（GF = 0.4）。在另一项研究中，通过在PVA水凝胶形成过程中加入长纳米金属和冻融循环，以及在PVA主链上沉积Ag NWs，开发了PVA/Ag NWs复合材料，以检测人类动作（图10a-i）。这种柔性纳米复合水凝胶（图10a-ii）表现出了0.35兆帕的抗拉强度和250%的延展性。该复合材料水凝胶的多孔结构（图10a-iii）使其能够承受反复变形。Ag NWs显著增强了传感能力，提供了高灵敏度（1.9 kPa−1）和宽检测范围（250 kPa）。
【总结与展望】
本综述全面涵盖了导电纳米复合水凝胶的最新进展，突出了它们作为可穿戴设备和智能皮肤系统的下一代材料的潜力。本文概述了基于纳米复合水凝胶的传感器的当前状态和进展，详细介绍了它们的化学性质、制备方法、设计策略和应用。将导电纳米填料融入水凝胶网络中增强了机械性能和导电性，这对于基于水凝胶的传感器至关重要。由于这些纳米填料的纳米增强作用，纳米复合水凝胶表现出理想的机械性能，包括高强度、快速恢复、自修复能力和适当的弹性模量。这些特性通过修复结构损伤和恢复传感能力来延长它们的使用寿命。尽管导电水凝胶纳米复合材料在可穿戴生物监测方面的进步带来了诸多令人兴奋的机会，但也带来了一些重大挑战，需要在实际应用中成功实施时加以解决。
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