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  隨著可穿戴設(shè)備和智慧醫(yī)療的迅速發(fā)展，生物傳感器技術(shù)逐漸成為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化健康監(jiān)測的重要支撐。如何讓設(shè)備既“聰明”又“貼近人”，成為材料科學(xué)與生物電子學(xué)共同面對的核心問題。離子水凝膠傳感器憑借優(yōu)異的生物相容性、柔韌性與離子導(dǎo)電特性，在眾多候選材料中脫穎而出，正引領(lǐng)著新一代智能醫(yī)療電子的發(fā)展方向。

  基于此，西南交通大學(xué)楊維清團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理了離子水凝膠傳感器的材料體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)筑策略與關(guān)鍵性能，并展望了其在未來智慧健康監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。

  2025年10月28日，該綜述論文以“Ionic Hydrogel Sensors toward Next‐Gen Personalized Healthcare”為題發(fā)表在國際著名期刊《Advanced Materials》上，論文通訊作者為西南交通大學(xué)楊維清教授和鄧維禮副教授，在讀博士生孫悅與博士田果為共同第一作者。

圖1離子水凝膠傳感器用于下一代健康監(jiān)測的示意圖。

  離子水凝膠（Ionic Hydrogel）是一種富含水分和可移動(dòng)離子的柔軟材料，既能模擬生物組織的力學(xué)與電化學(xué)特性，又能在濕潤環(huán)境下維持高靈敏信號響應(yīng)。這一特性標(biāo)志著傳感技術(shù)從“電子調(diào)控”邁向“離子調(diào)控”時(shí)代。離子水凝膠能夠精準(zhǔn)感知應(yīng)變、溫度、汗液組分乃至生物電信號（如心電與腦電），實(shí)現(xiàn)更自然、更穩(wěn)定的人體信號采集，為下一代個(gè)性化健康監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

材料體系

圖2 離子水凝膠的材料組成與導(dǎo)電機(jī)理。

  離子水凝膠通常由三維交聯(lián)的高含水聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其性能由分子結(jié)構(gòu)決定。根據(jù)聚合物的電離特性，可分為四類：

  中性聚合物（如 PVA、PAAm、PEG）：具良好生物相容性，但需外加電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電；

  陽離子聚電解質(zhì)（如殼聚糖、PDADMAC、PEI）：自帶正電荷，兼具抗菌與黏附特性；

  陰離子聚電解質(zhì)（如藻酸鹽、PAAc）：可實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)與pH響應(yīng)；

  兩性聚電解質(zhì)（如明膠、絲素蛋白、磺基甜菜堿聚合物）：能在不同環(huán)境中自調(diào)節(jié)電荷，具優(yōu)異抗污染能力。

  在導(dǎo)電機(jī)理上，離子水凝膠既可通過離子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)信號傳遞，也可在摻入金屬或?qū)щ娞盍虾笮纬?/span>離子—電子協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提升電導(dǎo)率和靈敏度。這種混合導(dǎo)電體系，為柔性傳感和生物信號檢測提供了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)筑

  僅依靠材料改性，已難滿足新一代智能醫(yī)療設(shè)備在柔順貼合、形變響應(yīng)與界面穩(wěn)定性方面的高要求。研究者因此引入結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)，在宏觀、微觀乃至納米尺度上優(yōu)化水凝膠的形態(tài)與功能。目前主要有兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)筑思路：一是“自上而下”（Top-Down）策略，通過模具成型、光刻或凍融鹽析等手段直接雕塑整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度控制；二是“自下而上”（Bottom-Up）策略，利用3D打印、自組裝或刺激誘導(dǎo)生長等方法，從分子或微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑復(fù)雜體系，兼具可編程性與功能多樣性。未來，若能將人工智能算法與多尺度制造技術(shù)深度融合，將有望實(shí)現(xiàn)具備智能響應(yīng)與自適應(yīng)性能的離子水凝膠結(jié)構(gòu)，為個(gè)性化可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)提供關(guān)鍵支撐。

關(guān)鍵性能

  離子水凝膠在性能設(shè)計(jì)上需滿足多重要求——既要“柔”以貼合皮膚，又要“韌”以抵抗變形，還要“智”以實(shí)現(xiàn)自修復(fù)與信號響應(yīng)。目前研究重點(diǎn)包括：

  力學(xué)性能：通過引入氫鍵、靜電作用、滑環(huán)結(jié)構(gòu)及鏈纏結(jié)等弱相互作用，獲得兼具高強(qiáng)度與高延展性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

  自愈性能：依靠可逆非共價(jià)或動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)損傷后自修復(fù)；

  黏附性：借助羥基、氨基、羧基等官能團(tuán)與組織成分反應(yīng)，結(jié)合物理吸附或機(jī)械嵌合，提升界面穩(wěn)固性；

  生物相容性：通過模量匹配與非法拉第傳導(dǎo)減少組織刺激，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定使用；

  保濕性：利用甘油、離子液體或疏水涂層構(gòu)筑抗蒸發(fā)體系，保持電導(dǎo)穩(wěn)定性。

  這些性能的協(xié)同優(yōu)化，使離子水凝膠在柔性電子、人機(jī)界面和生物醫(yī)療傳感中展現(xiàn)出卓越表現(xiàn)。

多模態(tài)感知

  憑借組織仿生的結(jié)構(gòu)和離子導(dǎo)電機(jī)制，離子水凝膠傳感器能夠?qū)C(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)現(xiàn)從脈搏到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的高精度檢測。同時(shí)，其生物相容性使其成為心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）等生理信號監(jiān)測的理想電極材料，避免了傳統(tǒng)金屬電極造成的組織損傷與信號漂移。此外，作為電化學(xué)生物傳感平臺，離子水凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)生物分子的識別、傳輸與信號放大，具備高靈敏度和長期穩(wěn)定性。它不僅可檢測離子濃度、氣體和溫度等物理參數(shù)，還能響應(yīng)代謝物、酶或生物標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)健康監(jiān)測與精準(zhǔn)診斷。結(jié)合AI算法進(jìn)行信號解析與反饋調(diào)控，離子水凝膠傳感器正邁向智能化與閉環(huán)式健康管理。

圖3 組織-水凝膠界面及其導(dǎo)電性提升策略。

圖4 使用離子水凝膠進(jìn)行電生理信號記錄。

展望：挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的未來方向

  過去十年，離子水凝膠傳感器已從實(shí)驗(yàn)室原型走向應(yīng)用前沿，但其廣泛商業(yè)化仍面臨多重挑戰(zhàn)——包括界面連接穩(wěn)定性、力電性能耦合優(yōu)化、環(huán)境適應(yīng)性、可降解性以及規(guī)模化制造等問題。未來研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：

• 提升材料的疲勞耐受性與抗環(huán)境干擾能力；

• 構(gòu)筑多功能界面以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定信號傳輸；

• 開發(fā)具自調(diào)濕、可打印和可擴(kuò)展的制備體系；

• 深度融合AI與智能算法，加速材料設(shè)計(jì)與多信號解析。

  隨著生成式人工智能與神經(jīng)符號計(jì)算等技術(shù)的介入，離子水凝膠的開發(fā)將更加高效與智能化。AI可輔助分子設(shè)計(jì)、預(yù)測性能并優(yōu)化制造流程，同時(shí)在信號分析層面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生理數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)解讀。

  離子水凝膠作為一類跨學(xué)科融合的智能生物材料，正處于材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程與數(shù)字健康技術(shù)的交匯點(diǎn)。其柔軟可塑的特性使之能在生物組織與電子系統(tǒng)之間架起“智能橋梁”。未來，隨著制造工藝、界面工程與算法智能的持續(xù)突破，基于離子水凝膠的可穿戴與植入式醫(yī)療系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能診斷與閉環(huán)治療。這一柔軟而智慧的材料，或?qū)⒊蔀橄乱淮珳?zhǔn)醫(yī)療與個(gè)性化健康管理的核心基石。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202509122