在現(xiàn)代社會，隨著公眾衛(wèi)生意識不斷提高，人們希望對自身的健康狀況有一個準(zhǔn)確、全面、及時的了解。巨大的市場需求極大地推動了可穿戴健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展?？纱┐魇絺鞲衅魇菢?gòu)建可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。水凝膠由于其良好的生物相容性和機(jī)械性能以及與人體組織類似的柔韌性，十分適合作為可穿戴設(shè)備的傳感或襯底材料。然而，傳統(tǒng)的水凝膠的性質(zhì)往往單一，并且其機(jī)械性能、電學(xué)性能、導(dǎo)電性、自愈性、刺激響應(yīng)性、自粘附性等特性之間存在著制約關(guān)系。某一性能的提高往往導(dǎo)致另一性能的下降，這極大地限制了水凝膠傳感器的應(yīng)用。水凝膠工程作為性能調(diào)控的有效手段，能夠有效解決傳統(tǒng)水凝膠性能單一的問題，進(jìn)而推動水凝膠材料在可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。
本文亮點
1. 基于現(xiàn)有的水凝膠性能調(diào)控手段提出了水凝膠工程的概念，并總結(jié)了智能復(fù)合水凝膠常用的性能優(yōu)化策略。
2. 從健康監(jiān)測的角度系統(tǒng)論述了智能復(fù)合水凝膠可穿戴傳感器的最新進(jìn)展。
3. 介紹了智能復(fù)合水凝膠可穿戴傳感器當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展前景。
隨著人們對健康的重視程度越來越高，人們越來越關(guān)注自身的身體狀況，健康監(jiān)測成為了大眾普遍關(guān)注的話題。人們希望不需要頻繁去往醫(yī)院進(jìn)行價格昂貴、步驟繁瑣的全身檢查，就能對自己的身體狀況有及時、全面的了解。可穿戴健康監(jiān)測技術(shù)通過收集人體的生理數(shù)據(jù)，通過有線(或無線)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并在本地或遠(yuǎn)程進(jìn)行信息處理，能夠為用戶提供非入侵式、長期連續(xù)的生理監(jiān)測。不同種類的傳感器負(fù)責(zé)將各種生理信號轉(zhuǎn)換成可記錄和傳輸?shù)碾娦盘柣蛘吖庑盘柕?，在整個健康監(jiān)測過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用?？纱┐鲬?yīng)用場景往往要求傳感器具備良好的柔韌性以及可拉伸性。因此，如何制備性能可靠的柔性可拉伸傳感器是可穿戴技術(shù)的關(guān)鍵。智能復(fù)合水凝膠具備優(yōu)異的電學(xué)性能、力學(xué)性能以及生物相容性等，并可調(diào)節(jié)組分使水凝膠對不同的刺激產(chǎn)生響應(yīng)，是用于制備可穿戴傳感器的最優(yōu)材料之一。中山大學(xué)吳進(jìn)課題組總結(jié)了常見水凝膠的制備及性能優(yōu)化策略，并著重介紹了目前智能復(fù)合水凝膠基傳感器在可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。
1、水凝膠合成機(jī)制
有機(jī)單體在水中聚合形成長分子鏈。這些長分子鏈交聯(lián)，相互纏繞形成具有一定結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡(luò)并將大量的水包裹其中，進(jìn)而制備得到具有特定形狀的水凝膠。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鍵合過程中作用力的不同，水凝膠可以分為物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠。一般來說，化學(xué)交聯(lián)水凝膠中的聚合物鏈通過化學(xué)共價鍵相互作用。它們之間的鍵合更為牢固。相反，物理水凝膠內(nèi)部的聚合物鏈往往依靠離子鍵、氫鍵、疏水相互作用等物理相互作用形成瞬態(tài)連接，這種較弱的相互作用在一定條件下會發(fā)生可逆的變化?；瘜W(xué)交聯(lián)可以得到力學(xué)性能和穩(wěn)定性較好的水凝膠。然而，由于反應(yīng)過程中涉及有毒交聯(lián)劑和對生物活性有害的反應(yīng)，相較物理交聯(lián)的水凝膠，化學(xué)交聯(lián)水凝膠不太適合應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和可穿戴電子產(chǎn)品中。
圖1. 水凝膠的合成機(jī)制。
2、水凝膠工程用于性能調(diào)控
傳統(tǒng)水凝膠性能往往非常單一，研究人員希望借助某種手段改善水凝膠的性能或賦予它們新的特性。水凝膠工程是通過調(diào)節(jié)水凝膠的內(nèi)部組分或構(gòu)建獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來調(diào)控水凝膠性能的一種方法。通過水凝膠工程進(jìn)行性能調(diào)整后，水凝膠往往表現(xiàn)出優(yōu)異的理化性能，如大幅增強(qiáng)的機(jī)械性能、導(dǎo)電性、自修復(fù)、刺激響應(yīng)性、自粘附，以及進(jìn)行動態(tài)調(diào)制的可能性。經(jīng)水凝膠工程調(diào)控的水凝膠通常摻雜納米顆粒、碳納米管等有機(jī)或無機(jī)填料，或含有多個交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此又被稱為復(fù)合水凝膠。
利用水凝膠工程來調(diào)控水凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度，或者引入特殊交聯(lián)劑、犧牲網(wǎng)絡(luò)、分子滑移結(jié)構(gòu)等用于應(yīng)力釋放，能夠極大地改善水凝膠的拉伸性和韌性。
水凝膠通常由三維聚合物網(wǎng)絡(luò)和膨脹分散介質(zhì)組成。因此水凝膠導(dǎo)電性的改善主要從這兩方面入手，一是往水凝膠中加入導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娞盍希纬蓪?dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)。另一種方法則是通過在水凝膠中引入導(dǎo)電鹽、導(dǎo)電顆粒、碳納米管等導(dǎo)電填料來提高水凝膠介質(zhì)的導(dǎo)電性。根據(jù)導(dǎo)電來源的不同，可將導(dǎo)電水凝膠分為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)水凝膠和導(dǎo)電介質(zhì)水凝膠。
通過在水凝膠界面引入特殊官能團(tuán)來形成共價或者非共價相互連接則是賦予水凝膠自黏附性與自愈合特性的常見手段。
另外，可穿戴式健康監(jiān)測應(yīng)用需要設(shè)備與人體長時間接觸，因此對其組成成分的生物相容性也提出了更高的要求。水凝膠具有類似軟組織的結(jié)構(gòu)。因此相比其他柔性材料具有天然的優(yōu)勢。通過合理的水凝膠結(jié)構(gòu)和組分設(shè)計，可以模擬先天組織的物理、化學(xué)和生物特性，從而提高其生物相容性。
圖2. 調(diào)節(jié)水凝膠力學(xué)性能的機(jī)理。
圖3. 導(dǎo)電水凝膠的主要制備方法及基于不同原理的分類。
圖4. 水凝膠的自黏附特性調(diào)控。
圖5. 自愈合機(jī)制總結(jié)
3、可穿戴健康監(jiān)測應(yīng)用
生理狀態(tài)監(jiān)測作為健康監(jiān)測的重要組成部分，越來越受到人們的重視。生理狀態(tài)通常用來描述生物體內(nèi)各種生命活動和功能的運行狀態(tài)，是反映人體健康狀況的一種簡便方法。智能復(fù)合水凝膠可穿戴傳感器具有柔韌性、可拉伸性、生物相容性等特性，十分適合用于監(jiān)測人體生理信號。用戶可以通過記錄血糖、脈搏、呼吸、體溫等各種生理信號來評估自己的生理狀態(tài)，這些生理信號對健康管理、疾病預(yù)防和控制具有重要意義。
本文系統(tǒng)梳理了智能復(fù)合水凝膠的生理狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，包括人體汗液的pH值或離子含量變化監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、脈搏和心跳監(jiān)測以及體溫監(jiān)測等。
圖6. 基于復(fù)合水凝膠的可穿戴式汗液監(jiān)測。
圖7. 基于復(fù)合水凝膠的可穿戴呼吸監(jiān)測。
圖8. 基于復(fù)合水凝膠的脈搏以及心跳監(jiān)測。
圖9. 基于復(fù)合水凝膠的可穿戴體溫監(jiān)測。
傷口在愈合過程中容易受到細(xì)菌感染。傷口感染往往導(dǎo)致愈合緩慢、炎癥、嚴(yán)重化膿甚至組織壞死。因此，如何在傷口愈合過程中對傷口進(jìn)行實時監(jiān)測仍然是臨床組織再生面臨的主要挑戰(zhàn)。水凝膠材料含水量高，生物相容性好，結(jié)構(gòu)與人體軟組織相似，是促進(jìn)傷口愈合的優(yōu)良傷口敷料。接觸人體組織后，可防止體外微生物的感染和體液的流失。此外，通過引入特定成分，可以形成多功能復(fù)合水凝膠，用于監(jiān)測傷口愈合。用于傷口愈合監(jiān)測的智能復(fù)合水凝膠傳感器正成為新的研究熱點。
在創(chuàng)面愈合過程中，pH值是一個重要的監(jiān)測指標(biāo)，反映了創(chuàng)面感染和組織再生的程度。感染后，由于微生物及其酶的作用，傷口的pH值會增加到7-8。而傷口面積大小則是傷口愈合程度的直接反映。另外，傷口溫度升高意味著傷口可能感染、發(fā)炎或充血。傷口溫度降低則表明膠原沉積減少，晚期再生炎性細(xì)胞和成纖維細(xì)胞減少。
圖10. 基于復(fù)合水凝膠的可穿戴傷口監(jiān)測。
除了實時監(jiān)測用戶的身體狀況外，輔助疾病診斷也是可穿戴健康監(jiān)測的重要組成部分。可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)可以采集用戶的相關(guān)信息，并在本地進(jìn)行處理或傳輸?shù)竭h(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心。它為患者提供了一種簡單方便的自我診斷方法，可以輔助醫(yī)生快速診斷疾病?；谥悄軓?fù)合水凝膠的可穿戴傳感器已被證明可以監(jiān)測和診斷癌癥、扁平足、帕金森氏癥、阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征等疾病。智能復(fù)合水凝膠作為最具潛力的柔性電子材料之一，在可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖11. 基于智能復(fù)合水凝膠的疾病診斷。
4、總結(jié)與展望
基于智能復(fù)合水凝膠的傳感器盡管優(yōu)勢眾多，但現(xiàn)階段仍有許多問題亟待解決。例如，低溫環(huán)境下的水分凝結(jié)和高溫干燥環(huán)境下的水分蒸發(fā)，以及長期使用導(dǎo)致的電極腐蝕等都給傳感器的性能穩(wěn)定性帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外復(fù)合水凝膠材料普遍缺乏透氣性，當(dāng)被用于表皮貼敷時會阻礙皮膚的“呼吸”，導(dǎo)致皮膚炎癥的發(fā)生。當(dāng)復(fù)合水凝膠傳感器附著在人體表面時，碰撞、刮蹭或佩戴者無意間的動作，會產(chǎn)生額外的應(yīng)變信號，嚴(yán)重影響傳感器的探測精度。此外，已報道的智能復(fù)合水凝膠基傳感器大都尺寸較大。并且，由于缺乏高精度和標(biāo)準(zhǔn)化的加工技術(shù)，傳感器的性能一致性無法保證，也難以大批量生產(chǎn)。因此，開發(fā)高度精確和標(biāo)準(zhǔn)化的制備方法對于智能復(fù)合水凝膠傳感器的商業(yè)化具有重要意義。盡管智能復(fù)合水凝膠傳感器目前還存在許多局限，但機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，相信隨著研究的不斷推進(jìn)，這些難題終將得到解決。
原文鏈接：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
京公網(wǎng)安備11010802046783號
