本篇文章作者全面概述了用于柔性電子設(shè)備的醫(yī)療傳感應(yīng)用的天然來(lái)源的水凝膠。
介紹了主要用于制造水凝膠的天然聚合物的結(jié)構(gòu)和功能，著重介紹了用于醫(yī)療保健傳感的天然水凝膠的關(guān)鍵特性，包括生物相容性、生物降解性、可打印性、自愈合性和粘附性。然后，總結(jié)了一些在應(yīng)變傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和生物傳感器方面的應(yīng)用與前沿進(jìn)展。最后，討論了天然水凝膠在實(shí)際傳感應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)和潛在解決方案。
介紹
新興的柔性電子產(chǎn)品憑借其兼容的機(jī)制、舒適的體驗(yàn)、緊密的界面集成和多功能，這種柔性傳感器可以與柔軟的人體進(jìn)行穩(wěn)定而親密的接觸，以記錄生理信號(hào)和評(píng)估生化信息。
從自然界中制備或衍生的天然水凝膠與具有特定成分的合成材料相比，具有多種可調(diào)功能，可定制感覺(jué)，包括堅(jiān)固的力學(xué)性能、增強(qiáng)的導(dǎo)電性、靈敏度自粘附性、自愈性和可印刷性。
如圖圖形化地總結(jié)了從原材料到所需關(guān)鍵性能和實(shí)際傳感應(yīng)用的路線(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了下一代醫(yī)療保健傳感中柔性生物電子的設(shè)計(jì)指南。
圖 從各種天然聚合物到功能性、水凝膠設(shè)備和醫(yī)療保健應(yīng)用的醫(yī)療保健傳感系統(tǒng)
天然聚合物作為水凝膠制備的基本構(gòu)件
天然聚合物及其衍生物因其在各方面的優(yōu)點(diǎn)，成為生物傳感領(lǐng)域生物相容性導(dǎo)體或綠色電子器件的重要組成部分。分子鏈上大量的反應(yīng)位點(diǎn)為水凝膠網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了廣闊的空間由于化學(xué)成分與生物系統(tǒng)的相似性，由天然聚合物組成的水凝膠通常與人體具有良好的生物相容性此外，大多數(shù)天然聚合物可以在體內(nèi)降解或在生態(tài)環(huán)境中消失，具有無(wú)與倫比的天然豐度和可持續(xù)性。簡(jiǎn)要介紹了用于設(shè)計(jì)和制造水凝膠的典型天然聚合物，重點(diǎn)介紹了它們獨(dú)特的功能和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
表 可用于水凝膠制造的天然聚合物
1、天然聚合物介紹
海藻酸鹽
海藻酸鹽主要從褐藻細(xì)胞壁中提取，包括鱗翅目黃藻、大囊藻和海帶。一般來(lái)說(shuō)，海藻酸鹽水凝膠的力學(xué)性能可以通過(guò)不同的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，如分子量、聚合物濃度、G/M比和交聯(lián)密度。
玻尿酸
透明質(zhì)酸，也稱(chēng)為透明質(zhì)酸或透明質(zhì)酸，它天然存在于所有哺乳動(dòng)物的細(xì)胞外基質(zhì)中，尤其是各種軟結(jié)締組織中，起著空間填充物、潤(rùn)滑劑或滲透緩沖物的作用。透明質(zhì)酸具有固有的生物相容性、生物降解性和非免疫原性反應(yīng)，是構(gòu)建具有理想形態(tài)、硬度和生物活性的水凝膠的誘人起始材料。
瓊脂糖
瓊脂糖是紅藻煮沸后釋放的中性多糖，它在某些藻類(lèi)的細(xì)胞壁中起支撐結(jié)構(gòu)的作用。通過(guò)調(diào)節(jié)瓊脂糖水凝膠的分子量和溶液濃度，可以調(diào)節(jié)瓊脂糖水凝膠的力學(xué)性能和凝膠溫度瓊脂糖水凝膠得益于人體低免疫反應(yīng)，已被用作軟骨修復(fù)、細(xì)胞包封、和神經(jīng)再生的支架。
殼聚糖
殼聚糖是從節(jié)肢動(dòng)物中提取的幾丁質(zhì)脫乙酰產(chǎn)物，市售殼聚糖產(chǎn)品的脫乙酰度通常在50 - 90%的范圍內(nèi)殼聚糖溶液可以通過(guò)物理交聯(lián)相互作用(如氫鍵、金屬配位、和靜電力)轉(zhuǎn)化為凝膠，殼聚糖主要被廣泛用于與其他天然聚合物共混，如多糖(如肝素和透明質(zhì)酸)和蛋白質(zhì)。
纖維素
纖維素是最豐富的天然多糖，是棉花、亞麻和天然纖維的主要成分。纖維素及其衍生物與聚乙烯醇、聚乙二醇、聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)等合成聚合物或海藻酸鹽、殼聚糖、透明質(zhì)酸等天然聚合物結(jié)合，形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，具有顯著的力學(xué)性能和良好的加工能力。
明膠
明膠是一種從天然動(dòng)物膠原蛋白中提取的水溶性多肽，由于其良好的生物相容性、生物降解性、非免疫原性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于食品、制藥和化妝品行業(yè)。由于分子鏈上有豐富的側(cè)基，明膠可以通過(guò)物理相互作用與各種活性無(wú)機(jī)成分混合，包括氧化石墨烯、碳納米管、礦物質(zhì)、金屬顆粒。
膠原蛋白
膠原蛋白是最古老和最豐富的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，是通過(guò)酶處理和鹽/酸提取從動(dòng)物組織中分離和純化出來(lái)的根據(jù)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，膠原蛋白是體內(nèi)含量最多的結(jié)構(gòu)蛋白，支撐著肌腱、皮膚和牙齒等各種組織(膠原蛋白連接礦物晶體)。膠原蛋白在人體組織中無(wú)處不在，具有多種固有特性，包括細(xì)胞識(shí)別信號(hào)，能夠形成各種物理形式的3D支架，可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能，以及超強(qiáng)的生物降解性，使其成為與人體相關(guān)應(yīng)用的原材料的自然選擇。
蠶絲蛋白
蠶絲蛋白，又稱(chēng)絲素蛋白，由于其生物相容性和生物降解性，在許多與人體相關(guān)的應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景，絲素的主要來(lái)源是紡絲蠶。絲的原始狀態(tài)主要由絲蛋白(約75%)和絲膠蛋白組成。與具有許多不同結(jié)構(gòu)的球狀蛋白可折疊成大致球形相比，絲素蛋白是一種具有高度定向晶相的纖維蛋白。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白水凝膠具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，具有高拉伸強(qiáng)度、注射性、自愈合能力和粘附性等特性。
多酚
多酚是天然存在的化合物，廣泛存在于植物中。目前已發(fā)現(xiàn)8000多個(gè)多酚衍生物，具有許多獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)。例如，抗氧化劑賦予多酚顯著的治療功能，如吸收紫外線(xiàn)輻射和與重金屬離子結(jié)合。
多肽
多肽由于其良好的生物相容性、生物降解性、生物活性和自組裝特性，近來(lái)受到廣泛關(guān)注。自然界中的天然氨基酸只有20種，一些非天然氨基酸也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)合成。它們具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如極性、酸度和堿度。通常，多肽是由有限數(shù)量的氨基酸通過(guò)肽鍵按一定順序排列而成。由于氨基酸和相應(yīng)序列的不同，有許多肽呈現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。
根據(jù)交聯(lián)機(jī)理，多肽水凝膠可分為物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠。
2、天然聚合物的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
通常，天然聚合物由于其長(zhǎng)分子鏈和豐富的官能團(tuán)，可以通過(guò)物理相互作用形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這些物理相互作用通?；跉滏I、離子螯合、疏水締合和鏈纏結(jié)。也可以通過(guò)沿天然聚合物骨架的官能團(tuán)之間的直接化學(xué)反應(yīng)或通過(guò)額外單體和交聯(lián)劑的聚合以在天然聚合物基質(zhì)內(nèi)形成共價(jià)交聯(lián)的聚合物鏈來(lái)制備水凝膠。本節(jié)，主要總結(jié)和討論制造天然聚合物網(wǎng)絡(luò)的策略。
物理交聯(lián)氫鍵
如前所述，天然聚合物具有許多可以形成氫鍵的官能團(tuán)（例如羥基、羧基、羰基和氨基）。因此，氫鍵是形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主要且不可避免的分子間或分子內(nèi)相互作用。
疏水締合：疏水締合水凝膠由疏水力形成，以構(gòu)建許多交聯(lián)域。這些疏水域充當(dāng)物理交聯(lián)點(diǎn)，這可以通過(guò)在鏈中引入疏水基團(tuán)或聚合疏水單體在合成水凝膠網(wǎng)絡(luò)中輕松實(shí)現(xiàn)。
離子相互作用：最著名的基于離子交聯(lián)的天然聚合物水凝膠是海藻酸鹽，其羧基可與多價(jià)陽(yáng)離子形成強(qiáng)相互作用，例如 Ca2+、Eu2+、Fe3+ 和 Al3+。
化學(xué)交聯(lián)
水凝膠的化學(xué)交聯(lián)是通過(guò)在聚合物鏈之間建立共價(jià)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。共價(jià)鍵比物理相互作用更強(qiáng)更持久，通常為水凝膠提供高機(jī)械強(qiáng)度。
自由基聚合：可以通過(guò)單體和具有多個(gè)雙鍵的交聯(lián)劑的自由基聚合產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)。自由基聚合是一種快速形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)的有效且流行的方法。
席夫堿反應(yīng)：席夫堿反應(yīng)通常在堿性條件下發(fā)生在醛和胺之間。這兩個(gè)基團(tuán)廣泛存在于天然聚合物中。例如，由于殼聚糖的胺基與氧化透明質(zhì)酸的醛基之間發(fā)生席夫堿反應(yīng)，殼聚糖和氧化透明質(zhì)酸可以形成亞胺鍵以構(gòu)建化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
邁克爾加成反應(yīng)：親核試劑（胺或硫醇）和親電試劑（乙烯基/丙烯酸酯/馬來(lái)酰亞胺基團(tuán)）之間的邁克爾加成反應(yīng)可用于制造交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。與這些基團(tuán)綴合的天然聚合物，如葡聚糖、透明質(zhì)酸和殼聚糖，可以通過(guò)邁克爾加成反應(yīng)構(gòu)建水凝膠。
環(huán)氧化物偶聯(lián)：環(huán)氧化物是親水性基團(tuán)，與醇和胺等親核試劑具有高度反應(yīng)性。例如，具有環(huán)氧化物和氯代烷基的表氯醇可以通過(guò)環(huán)氧化物偶聯(lián)與天然聚合物建立交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
縮合反應(yīng)：縮合反應(yīng)通常發(fā)生在羥基或氨基與羧酸或其衍生物之間，可用于合成化學(xué)交聯(lián)的天然聚合物網(wǎng)絡(luò)。一種廣泛用于通過(guò)縮合制備天然水凝膠的試劑是 N,N-(3-二甲氨基丙基)-N-乙基碳二亞胺和 N-羥基琥珀酰亞胺 (EDS/NHS)。
酶促反應(yīng)：由于溫和、無(wú)副反應(yīng)以及在中性 pH 值和適度溫度下發(fā)生，酶促交聯(lián)方法引起了極大的興趣。惡劣的化學(xué)環(huán)境可能導(dǎo)致基于天然聚合物的水凝膠失去生物活性。酶促反應(yīng)更適合這種情況，這取決于它們的溫和性質(zhì)。例如，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是主要催化聚合物或多肽上的羧酰胺和伯胺之間形成酰胺鍵的酶。
動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵：動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵在特定刺激下可逆地?cái)嗔?、重組和交換。這種可逆過(guò)程類(lèi)似于物理相互作用，也可以幫助水凝膠材料在變形過(guò)程中耗散能量。即水凝膠可以實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。
柔性電子器件中源自天然聚合物的功能
本節(jié)討論天然聚合物的這些奇妙功能或性能，以深入了解天然來(lái)源的水凝膠在開(kāi)發(fā)醫(yī)療傳感相關(guān)柔性材料時(shí)的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能關(guān)系。為此，這里重點(diǎn)介紹了水凝膠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和制造及其卓越的性能。
機(jī)械性能
醫(yī)療應(yīng)用中的柔性和可穿戴設(shè)備通常會(huì)受到動(dòng)態(tài)力的影響，這要求機(jī)器能夠承受循環(huán)載荷并保持可靠的檢測(cè)性能。具有化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)聚合物水凝膠大多易碎且脆弱。異質(zhì)化學(xué)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械負(fù)載下耗散能量的能力較差。
迄今為止，對(duì)天然水凝膠力學(xué)性能的研究大多集中在強(qiáng)度、韌性、拉伸性和彈性模量等方面，而忽略了其抗疲勞性?？蛊谛詫?duì)于適應(yīng)柔性傳感器在醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。然而，最近報(bào)道的堅(jiān)韌天然水凝膠的疲勞閾值低于 500 Jm2，這與生物組織的疲勞閾值（通常超過(guò) 1000 Jm2）形成鮮明對(duì)比。
自粘性
用于醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的柔性電氣設(shè)備的自粘附信號(hào)檢測(cè)主要來(lái)自于傳感器和各種人體組織，如皮膚、心臟和胃。柔性材料不僅需要機(jī)械一致性，而且還需要強(qiáng)大的附著力才能實(shí)現(xiàn)高可靠性和靈敏度。水凝膠和組織之間的緊密連接可以通過(guò)提高它們的界面粘附強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這在實(shí)際使用中提供了高信號(hào)準(zhǔn)確性和舒適性。通常，牢固的粘附力主要取決于范德華相互作用、化學(xué)鍵合和鏈纏結(jié)。由于豐富的多功能基團(tuán)和柔性聚合物鏈，天然衍生的材料在粘合材料的設(shè)計(jì)中顯示出巨大的潛力。但是將粘合特性與其他特性（如電氣特性、機(jī)械特性和化學(xué)穩(wěn)定性）和諧地結(jié)合起來(lái)仍然具有挑戰(zhàn)性。應(yīng)盡快開(kāi)發(fā)并應(yīng)用新型水凝膠界面的粘合分子機(jī)制和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
自我修復(fù)
通常，開(kāi)發(fā)了兩種方法來(lái)通過(guò)基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵的可逆水凝膠網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)特性。①動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵結(jié)合了共價(jià)鍵的穩(wěn)定性和非共價(jià)鍵的可逆性，實(shí)現(xiàn)了水凝膠網(wǎng)絡(luò)中鍵生成和解離的內(nèi)在動(dòng)態(tài)平衡，具有獨(dú)特的宏觀自愈性能。例如，天然來(lái)源的帶有酰腙基團(tuán)的氧化海藻酸鈉被用于制造基于多糖的自修復(fù)水凝膠。②非共價(jià)鍵更常用于天然材料，并且比動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵更容易形成。
3D 打印性
在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，3D 打印提供了一種有吸引力的方法來(lái)制造具有各種功能的微架構(gòu)。水凝膠憑借其與天然組織相比的各種相似性，包括高含水量、生物結(jié)構(gòu)和物理特性，正在成為最有前途的生物制造 3D 打印墨水材料。海藻酸鹽是最流行的 3D 打印天然聚合物墨水之一。為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)的 3D 架構(gòu)，在 3D 打印過(guò)程中調(diào)整水凝膠的粘度至關(guān)重要。換句話(huà)說(shuō)，墨水很容易從打印頭流出，但在打印后仍保持其形狀。因此，非常需要油墨在高剪切速率下具有相對(duì)低的粘度，但在低剪切速率下具有高得多的粘度。
基于天然水凝膠的柔性設(shè)備的醫(yī)療保健應(yīng)用
在本節(jié)中，首先介紹在各種物鏡上制作水凝膠覆蓋物的方法，這對(duì)基于傳統(tǒng)電子學(xué)的器件設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。然后，著重討論新興的導(dǎo)電水凝膠傳感器。主要關(guān)注的是如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)性能以實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率和靈敏度?？偨Y(jié)了各種類(lèi)型的水凝膠傳感器的傳感機(jī)制和信號(hào)特征（如圖）及基于天然材料水凝膠的生物傳感器，展示了其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
應(yīng)變傳感器
由于水凝膠具有柔韌性、生物相容性和重量輕等明顯優(yōu)點(diǎn)，基于水凝膠的柔性應(yīng)變傳感器可以緊密貼附在人體上，并將機(jī)械信號(hào)（彎曲、拉伸）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電阻、電導(dǎo)率），能夠捕獲人體的大規(guī)模動(dòng)作（例如，關(guān)節(jié)彎曲、身體運(yùn)動(dòng)）和微小動(dòng)作（例如，脈搏、心跳、呼吸、喉嚨振動(dòng)）。這些轉(zhuǎn)換方法通常包括壓阻法、壓電法和電容法。在過(guò)去十年中，基于水凝膠的應(yīng)變傳感器引起了越來(lái)越多的研究興趣。盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)出如此多具有顯著靈敏度的系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用的潛力仍然遙遙無(wú)期。最嚴(yán)重的問(wèn)題是性能穩(wěn)定性。除了水分蒸發(fā)后機(jī)械性能的變化外，另一個(gè)挑戰(zhàn)是在多次變形后保持電氣性能仍然。
壓力傳感器
壓力傳感器是觸覺(jué)傳感器的另一個(gè)分支，由于其廣泛的應(yīng)用范圍，從診斷健康監(jiān)測(cè)到精密手術(shù)，吸引了廣泛的研究。與應(yīng)變傳感器一樣，也可以探索具有豐富官能團(tuán)的天然聚合物來(lái)制造水凝膠通過(guò)從壓力輸入到電導(dǎo)率輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換，具有機(jī)械感應(yīng)特性的壓力傳感器。通常，有效的導(dǎo)電通路隨著施加的壓力而增加，伴隨著水凝膠網(wǎng)絡(luò)的幾何變形。幾何變形與電輸出信號(hào)之間的關(guān)系由此建立。具體而言，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在外部壓力下的變形會(huì)導(dǎo)致電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。壓力傳感器最重要的傳感參數(shù)之一是靈敏度。通常，靈敏度（也稱(chēng)為應(yīng)變系數(shù)，GF）定義為電信號(hào)（電容、電阻、電流或電壓）隨施加壓力的相對(duì)變化曲線(xiàn)的斜率。高靈敏度可以賦予傳感器檢測(cè)細(xì)微壓力刺激的能力，如聲帶振動(dòng)或動(dòng)脈脈搏。
與那些應(yīng)變傳感器面臨的挑戰(zhàn)一樣，基于水凝膠的壓力傳感器也需要克服來(lái)自反復(fù)和多次加載-卸載的不利影響。作者團(tuán)隊(duì)認(rèn)為天然聚合物水凝膠可以通過(guò)新穎簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。借鑒大自然獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用天然材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如紋理結(jié)構(gòu)、微/納米傳輸通道、層次機(jī)制等，將是一個(gè)很好的選擇。
溫度傳感器
體溫是指示失眠、發(fā)熱、代謝功能和精神抑郁的重要生理指標(biāo)，提供各種有價(jià)值的醫(yī)學(xué)診斷信息。實(shí)現(xiàn)局部溫度的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有重要意義。人體的溫度可以在 36.5至 37. 1℃的恒定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以維持正常的生理功能，這對(duì)于參與新陳代謝、血液循環(huán)和免疫系統(tǒng)的酶活性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的體溫臨床檢查依賴(lài)于關(guān)于定期溫度計(jì)測(cè)量。在可伸縮系統(tǒng)的各種感覺(jué)功能中，溫度感覺(jué)對(duì)于實(shí)時(shí)獲取皮膚表面、周?chē)h(huán)境和植入?yún)^(qū)域的溫度以協(xié)助人類(lèi)和軟人工智能機(jī)器人調(diào)整其后續(xù)計(jì)劃至關(guān)重要。由于人體溫度的變化幅度很小，因此對(duì)溫度傳感器的靈敏度要求很高。
水凝膠由于其濕潤(rùn)和柔軟的特性以及出色的生物相容性和順應(yīng)性，可確保設(shè)備與曲線(xiàn)表面之間的共形接觸，在溫度傳感方面具有廣闊的研究前景。
結(jié)論與展望
過(guò)去十年見(jiàn)證了用于醫(yī)療傳感應(yīng)用的聚合物水凝膠的蓬勃發(fā)展，與合成水凝膠相比，天然來(lái)源的水凝膠具有天然豐度、良好的生物相容性、可持續(xù)性和生物降解性等獨(dú)特特性，為生物電子學(xué)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)材料。顯然，天然來(lái)源的水凝膠具有作為人類(lèi)使用的柔性傳感設(shè)備的關(guān)鍵基礎(chǔ)的巨大潛力，受益于它們的結(jié)構(gòu)多樣性和與來(lái)自自然界的生物相容性成分的結(jié)合。此外，這種具有良好可持續(xù)性的可生物降解材料可以實(shí)現(xiàn)下一代電子產(chǎn)品的“綠色”目標(biāo)。令人鼓舞的是，看到越來(lái)越多的關(guān)于柔性醫(yī)療傳感器的出版物主要來(lái)源于自然界的靈感。
盡管用于生物電子學(xué)的天然水凝膠發(fā)展迅速，但仍然存在一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
透徹了解水凝膠材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的最終目的是提高其在實(shí)際應(yīng)用中的性能。
性能可靠
實(shí)際應(yīng)用中通常涉及人體無(wú)處不在的多重載荷和動(dòng)態(tài)生理環(huán)境。皮膚、肌肉、心臟和大腦總是受到這些不可避免的動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷的影響，從而對(duì)水凝膠裝置造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。
新功能或升級(jí)功能
除了本文總結(jié)和討論的天然來(lái)源水凝膠的四種功能和五種應(yīng)用外，人們對(duì)開(kāi)發(fā)新功能或升級(jí)水凝膠功能的興趣和潛力越來(lái)越大。我們可以在自然界中學(xué)習(xí)、模仿、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)天然來(lái)源的水凝膠的各種功能，例如聽(tīng)覺(jué)感知、氣味感知和環(huán)境耐久性。
制造策略
盡管散裝水凝膠材料在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的信號(hào)轉(zhuǎn)化取得了成功，但基于天然水凝膠的集成設(shè)備的商業(yè)化仍然受到放大制造技術(shù)的限制。這種制造技術(shù)包括活性水凝膠的加工以及水凝膠與其他金屬電路之間的集成。
毫無(wú)疑問(wèn)，天然聚合物水凝膠為開(kāi)發(fā)下一代柔性醫(yī)療保健生物電子產(chǎn)品提供了基礎(chǔ)材料。目前，我們需要：
①在天然聚合物的化學(xué)合成和功能修飾方面取得突破，以解決制備具有可調(diào)和明確的機(jī)械和電學(xué)性能的天然水凝膠的問(wèn)題；
②在理解層次結(jié)構(gòu)/整體性能方面取得突破關(guān)系；
③以具有成本效益和大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用方法制造復(fù)雜設(shè)備的突破。大自然提供了豐富的靈感來(lái)源，可以制造出具有超越自然界的更先進(jìn)功能的更靈活的生物電子產(chǎn)品。
盡管還有很長(zhǎng)的路要走，但上述所有挑戰(zhàn)只能通過(guò)化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科專(zhuān)家的密切和廣泛的合作努力才能實(shí)現(xiàn)。
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