综述：天然水凝胶——医用智能柔性传感器新材料

研究背景

下一代智能医疗传感是一个复杂的系统，它实时监测病人的生理体征，评估他们的健康状况并将反馈数据详细介绍给医生，使医疗诊断和治疗更具预测性和个性化。为什么这个系统在生物医学上的应用如此舒适和必要?第一个答案依赖于其便携和易于使用的外形。病人可以在任何地方安装智能传感器，无论是在可穿戴还是植入的情况下，因为设备小、轻、无线。另一个优点是它可以实时和一直监测健康状况，不受医院传统临床医疗的时间和空间限制。当附近没有专业医疗设备或人员时，这些传感器可以远程跟踪生物物理信号(如心律呼吸、血压和体温)，生物标志物(如葡糖和氯化汗液分析)，和运动(关节弯曲吞咽和声带振动)。通过这种方式，医生可以远程监控病人的恢复情况，并在他们的状态恶化时进行干预。商业上使用的医疗保健传感器主要由传统的刚性电子材料组成，有碍观瞻的硬性支撑物与人体结合。这些设备无疑会给用户带来不适，并且由于不适应人体组织的柔软性而限制了传感的进行。

新兴的柔性电子器件凭借其顺应性力学、舒适的体验、紧密的界面整合和多功能性，为解决上述困境提供了一个很好的解决方案。如果没有基本材料和具有成本效益的制造技术的蓬勃发展，这一新兴领域将无法进行，使各种定制功能和异质软功能材料的整合成为可能。为此，导电水凝胶已被大力发展，因为它在机械、化学和光学特性方面将优秀的电子特性和仿生特性理想地结合起来。水凝胶的内在重量和灵活性可以缓解用于长期佩戴或植入人体的外来设备所带来的不适，实现对医疗保健传感应用的连续和持久的监测。

源于自然资源的天然高分子水凝胶具有与生俱来的优异生物相容性，可以缓解因人体长时间佩戴外来设备或植入体内而造成的不适，满足下一代智能监护系统需实现连续和长期监测的基本要求。与合成高分子相比，天然高分子包含丰富的活性基团，如羟基、羧基、羧酸和氨基等，提供了足够的分子修饰和改造空间来设计和构建三维交联网络，从而赋予所得水凝胶多种可调节功能，包括与人体组织顺应的机械性能、增强的导电性和灵敏度、自粘附、自愈合以及可三维打印等，满足了柔性传感材料的多功能集成和器件加工工艺需求。其次，生物相容的天然材料允许电子设备直接接触人体皮肤，甚至可以安全地植入体内长时间使用，对宿主组织的炎症或免疫反应最小。此外，天然来源的植入式电子设备最终可以在体内环境中被吸收或降解，降低了临床应用中需移除器械的二次手术风险。同时，可生物降解和可再生的天然材料最终可以在它们服役后回归自然，避免了因柔性电子大量应用而产生电子垃圾堆积的环境问题。

研究成果

柔性医疗传感系统的蓬勃发展与具有面向应用的机械和电气性能的基本材料是分不开的。由于从我们的大自然中不断获得灵感，源于天然生物质的柔性水凝胶由于其独特的化学、物理和生物特性，其结构和功能设计正在吸引越来越多的关注。这些高效的结构和功能设计使它们成为柔性电子传感设备的最有希望的候选者。山东大学第二医院基础医学研究所、山东大学骨科医学研究中心研究员陈静和清华大学教授危岩等人在国际化学领域顶级学术期刊Chemical Society Reviews发表题为“Naturally sourced hydrogels: emerging fundamental materials for next-generation healthcare sensing”的长篇综述文章。这篇全面的综述集中在天然来源的水凝胶在构建多功能柔性传感器方面的最新进展及其在医疗方面的应用。首先简要介绍了代表性的天然聚合物，包括多糖、蛋白质和多肤，并总结了它们独特的物理化学特性。在介绍了医疗保健传感应用所需的基本材料特性后，概述了基于这些代表性天然聚合物的水凝胶传感器的设计原则和制造策略。然后，强调了用于传感设备的天然水凝胶的各种制造技术并说明了在医疗保健系统领域用于压力、应变、温度或生物标志物传感的可穿戴或植入式生物电子学的代表性例子。最后，对基于天然水凝胶的柔性传感器发展中的挑战和前景进行了总结。希望这篇综述能够为下一代生物电子学的发展提供有价值的信息，并在作为基础物质的天然水凝胶和作为应用目标的多功能医疗保健传感之间建立起一座桥梁，在不久的将来加速新材料的设计。陈静研究员和危岩教授是论文的通讯作者，山东大学是论文的第一完成单位。

图文导读

Fig. 1 Illustrated cue for emerging healthcare sensing systems from various natural polymers to functionalities, hydrogel devices, and healthcare applications.

Fig. 2 Chemical structure and schematics of widely used natural polymers for hydrogel fabrication.

Fig. 3 Hydrogels based on natural polymers with excellent mechanical properties.

总结与展望

在综述论文中，作者结合自身在天然水凝胶材料方面的创新研究成果和体会，从分子结构设计、性能调控、智能传感应用等多个维度，全面介绍了天然来源的水凝胶作为下一代智能监护传感设备的关键基础材料的多用途应用场景，总结并提出了下一代智能监护柔性生物电子学的材料设计准则（如图）。作者进而探讨了天然水凝胶传感材料在当前应用中所面临的主要挑战，并提出了一些建设性的解决方案。最后，作者对该领域进行了全面展望，认为医工结合的多学科交叉研究是发展下一代智能监护系统的必由之路，为该领域从业者提供了一些具有重要研究价值的前瞻性探索方向。

全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cs/d2cs00813k