在现代社会，随着公众卫生意识不断提高，人们希望对自身的健康状况有一个准确、全面、及时的了解。巨大的市场需求极大地推动了可穿戴健康监测技术的发展。可穿戴式传感器是构建可穿戴健康监测系统的关键一环。水凝胶由于其良好的生物相容性和机械性能以及与人体组织类似的柔韧性，十分适合作为可穿戴设备的传感或衬底材料。然而，传统的水凝胶的性质往往单一，并且其机械性能、电学性能、导电性、自愈性、刺激响应性、自粘附性等特性之间存在着制约关系。某一性能的提高往往导致另一性能的下降，这极大地限制了水凝胶传感器的应用。水凝胶工程作为性能调控的有效手段，能够有效解决传统水凝胶性能单一的问题，进而推动水凝胶材料在可穿戴健康监测领域的研究与应用。
本文亮点
1. 基于现有的水凝胶性能调控手段提出了水凝胶工程的概念，并总结了智能复合水凝胶常用的性能优化策略。
2. 从健康监测的角度系统论述了智能复合水凝胶可穿戴传感器的最新进展。
3. 介绍了智能复合水凝胶可穿戴传感器当前面临的挑战和未来发展前景。
随着人们对健康的重视程度越来越高，人们越来越关注自身的身体状况，健康监测成为了大众普遍关注的话题。人们希望不需要频繁去往医院进行价格昂贵、步骤繁琐的全身检查，就能对自己的身体状况有及时、全面的了解。可穿戴健康监测技术通过收集人体的生理数据，通过有线(或无线)网络对数据进行传输，并在本地或远程进行信息处理，能够为用户提供非入侵式、长期连续的生理监测。不同种类的传感器负责将各种生理信号转换成可记录和传输的电信号或者光信号等，在整个健康监测过程中发挥了至关重要的作用。可穿戴应用场景往往要求传感器具备良好的柔韧性以及可拉伸性。因此，如何制备性能可靠的柔性可拉伸传感器是可穿戴技术的关键。智能复合水凝胶具备优异的电学性能、力学性能以及生物相容性等，并可调节组分使水凝胶对不同的刺激产生响应，是用于制备可穿戴传感器的最优材料之一。中山大学吴进课题组总结了常见水凝胶的制备及性能优化策略，并着重介绍了目前智能复合水凝胶基传感器在可穿戴健康监测领域的应用。
1、水凝胶合成机制
有机单体在水中聚合形成长分子链。这些长分子链交联，相互缠绕形成具有一定结构的三维网络并将大量的水包裹其中，进而制备得到具有特定形状的水凝胶。根据网络键合过程中作用力的不同，水凝胶可以分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶。一般来说，化学交联水凝胶中的聚合物链通过化学共价键相互作用。它们之间的键合更为牢固。相反，物理水凝胶内部的聚合物链往往依靠离子键、氢键、疏水相互作用等物理相互作用形成瞬态连接，这种较弱的相互作用在一定条件下会发生可逆的变化。化学交联可以得到力学性能和稳定性较好的水凝胶。然而，由于反应过程中涉及有毒交联剂和对生物活性有害的反应，相较物理交联的水凝胶，化学交联水凝胶不太适合应用于生物医学和可穿戴电子产品中。
图1. 水凝胶的合成机制。
2、水凝胶工程用于性能调控
传统水凝胶性能往往非常单一，研究人员希望借助某种手段改善水凝胶的性能或赋予它们新的特性。水凝胶工程是通过调节水凝胶的内部组分或构建独特的内部结构来调控水凝胶性能的一种方法。通过水凝胶工程进行性能调整后，水凝胶往往表现出优异的理化性能，如大幅增强的机械性能、导电性、自修复、刺激响应性、自粘附，以及进行动态调制的可能性。经水凝胶工程调控的水凝胶通常掺杂纳米颗粒、碳纳米管等有机或无机填料，或含有多个交联网络，因此又被称为复合水凝胶。
利用水凝胶工程来调控水凝胶网络的交联程度，或者引入特殊交联剂、牺牲网络、分子滑移结构等用于应力释放，能够极大地改善水凝胶的拉伸性和韧性。
水凝胶通常由三维聚合物网络和膨胀分散介质组成。因此水凝胶导电性的改善主要从这两方面入手，一是往水凝胶中加入导电聚合物或导电填料，形成导电聚合物网络。另一种方法则是通过在水凝胶中引入导电盐、导电颗粒、碳纳米管等导电填料来提高水凝胶介质的导电性。根据导电来源的不同，可将导电水凝胶分为导电网络水凝胶和导电介质水凝胶。
通过在水凝胶界面引入特殊官能团来形成共价或者非共价相互连接则是赋予水凝胶自黏附性与自愈合特性的常见手段。
另外，可穿戴式健康监测应用需要设备与人体长时间接触，因此对其组成成分的生物相容性也提出了更高的要求。水凝胶具有类似软组织的结构。因此相比其他柔性材料具有天然的优势。通过合理的水凝胶结构和组分设计，可以模拟先天组织的物理、化学和生物特性，从而提高其生物相容性。
图2. 调节水凝胶力学性能的机理。
图3. 导电水凝胶的主要制备方法及基于不同原理的分类。
图4. 水凝胶的自黏附特性调控。
图5. 自愈合机制总结
3、可穿戴健康监测应用
生理状态监测作为健康监测的重要组成部分，越来越受到人们的重视。生理状态通常用来描述生物体内各种生命活动和功能的运行状态，是反映人体健康状况的一种简便方法。智能复合水凝胶可穿戴传感器具有柔韧性、可拉伸性、生物相容性等特性，十分适合用于监测人体生理信号。用户可以通过记录血糖、脉搏、呼吸、体温等各种生理信号来评估自己的生理状态，这些生理信号对健康管理、疾病预防和控制具有重要意义。
本文系统梳理了智能复合水凝胶的生理状态监测应用，包括人体汗液的pH值或离子含量变化监测、呼吸监测、脉搏和心跳监测以及体温监测等。
图6. 基于复合水凝胶的可穿戴式汗液监测。
图7. 基于复合水凝胶的可穿戴呼吸监测。
图8. 基于复合水凝胶的脉搏以及心跳监测。
图9. 基于复合水凝胶的可穿戴体温监测。
伤口在愈合过程中容易受到细菌感染。伤口感染往往导致愈合缓慢、炎症、严重化脓甚至组织坏死。因此，如何在伤口愈合过程中对伤口进行实时监测仍然是临床组织再生面临的主要挑战。水凝胶材料含水量高，生物相容性好，结构与人体软组织相似，是促进伤口愈合的优良伤口敷料。接触人体组织后，可防止体外微生物的感染和体液的流失。此外，通过引入特定成分，可以形成多功能复合水凝胶，用于监测伤口愈合。用于伤口愈合监测的智能复合水凝胶传感器正成为新的研究热点。
在创面愈合过程中，pH值是一个重要的监测指标，反映了创面感染和组织再生的程度。感染后，由于微生物及其酶的作用，伤口的pH值会增加到7-8。而伤口面积大小则是伤口愈合程度的直接反映。另外，伤口温度升高意味着伤口可能感染、发炎或充血。伤口温度降低则表明胶原沉积减少，晚期再生炎性细胞和成纤维细胞减少。
图10. 基于复合水凝胶的可穿戴伤口监测。
除了实时监测用户的身体状况外，辅助疾病诊断也是可穿戴健康监测的重要组成部分。可穿戴式健康监测系统可以采集用户的相关信息，并在本地进行处理或传输到远程医疗服务中心。它为患者提供了一种简单方便的自我诊断方法，可以辅助医生快速诊断疾病。基于智能复合水凝胶的可穿戴传感器已被证明可以监测和诊断癌症、扁平足、帕金森氏症、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征等疾病。智能复合水凝胶作为最具潜力的柔性电子材料之一，在可穿戴健康监测领域具有广阔的应用前景。
图11. 基于智能复合水凝胶的疾病诊断。
4、总结与展望
基于智能复合水凝胶的传感器尽管优势众多，但现阶段仍有许多问题亟待解决。例如，低温环境下的水分凝结和高温干燥环境下的水分蒸发，以及长期使用导致的电极腐蚀等都给传感器的性能稳定性带来了巨大挑战。此外复合水凝胶材料普遍缺乏透气性，当被用于表皮贴敷时会阻碍皮肤的“呼吸”，导致皮肤炎症的发生。当复合水凝胶传感器附着在人体表面时，碰撞、刮蹭或佩戴者无意间的动作，会产生额外的应变信号，严重影响传感器的探测精度。此外，已报道的智能复合水凝胶基传感器大都尺寸较大。并且，由于缺乏高精度和标准化的加工技术，传感器的性能一致性无法保证，也难以大批量生产。因此，开发高度精确和标准化的制备方法对于智能复合水凝胶传感器的商业化具有重要意义。尽管智能复合水凝胶传感器目前还存在许多局限，但机遇与挑战并存，相信随着研究的不断推进，这些难题终将得到解决。
原文链接：Engineering Smart Composite Hydrogels for Wearable Health Monitoring
Jianye Li, Qiongling Ding, Hao Wang, Zixuan Wu, Xuchun Gui, Chunwei Li, Ning Hu*, Kai Tao*, and Jin Wu*
Nano-Micro Letters (2023)15: 105
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01079-5
