隨著醫(yī)學(xué)的進(jìn)步和我們對(duì)疾病早期癥狀的理解不斷加深，近年來對(duì)致力于醫(yī)療保健的新技術(shù)的需求不斷增加，這些技術(shù)可以感知和監(jiān)測(cè)復(fù)雜生物系統(tǒng)的功能，而不會(huì)引起不必要的反應(yīng)。同樣，需要能夠有效地傳輸遙感信號(hào)的材料，通過新的數(shù)字技術(shù)將人類活動(dòng)與環(huán)境連接起來并同步。然而，傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)通常依賴于大量的機(jī)器和合格的醫(yī)務(wù)人員，這需要昂貴而復(fù)雜的監(jiān)測(cè)?？纱┐鹘】当O(jiān)測(cè)技術(shù)的引入有效地解決了這些問題，因?yàn)樗梢詮挠脩裟抢锸占瘜?shí)時(shí)身體數(shù)據(jù)，評(píng)估他們的健康狀況，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析提供個(gè)性化的醫(yī)療建議?？纱┐鞅O(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于醫(yī)療、預(yù)防疾病和控制至關(guān)重要。信號(hào)轉(zhuǎn)換和記錄在健康監(jiān)測(cè)過程中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈兇_定了用戶接收到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，學(xué)術(shù)界非常感興趣的一個(gè)領(lǐng)域是制造性能一致的傳感器。消費(fèi)者可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，如智能手表和智能眼鏡，包括基于剛性基板的半導(dǎo)體方法形成的內(nèi)部傳感器。這使得傳感器難以適應(yīng)人體表面，從而降低了佩戴舒適度。

正在進(jìn)行的將聚合物基質(zhì)和凝膠的靈活性和成分多樣性與光子、導(dǎo)電和半導(dǎo)體材料的特性相結(jié)合的合成方法的研究是由柔性電子產(chǎn)品的日益普及推動(dòng)的。其中許多，如仿生和仿生材料，暗示了在生物結(jié)構(gòu)中觀察到的復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)和組織。一旦設(shè)備的主要功能完成，為這些設(shè)備創(chuàng)建具有可控生命周期的生物相容性材料是他們最大的障礙之一。他們收集生命體征的能力有限，特別是血氧水平、體溫和脈搏，這使得他們難以適應(yīng)更復(fù)雜和定制的醫(yī)療環(huán)境。此外，人體皮膚表面和這些剛性傳感器之間存在顯著的楊氏模量差異。當(dāng)一個(gè)人進(jìn)行重大運(yùn)動(dòng)時(shí)，剛性傳感器往往會(huì)與身體表面分離，這可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)收集。因此，創(chuàng)建一個(gè)完全靈活和有彈性的傳感器對(duì)于構(gòu)建可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。即使有最新的發(fā)展，在可拉伸裝置的制備過程中仍然存在一些科技障礙。到目前為止，已經(jīng)提出了兩種不同的方法來實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的可拉伸性：（I）從材料的角度來看，活性材料可以沉積或與彈性聚合物基材和導(dǎo)電填料復(fù)合，形成可拉伸電極。（II）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看，電極可以使用特殊形成的幾何結(jié)構(gòu)制成，如螺旋、彈簧、皺紋和蜂窩狀幾何形狀。由于額外的惰性成分，器件級(jí)的能量密度會(huì)降低，內(nèi)阻會(huì)增加?；钚蕴亢秃铣蓚?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容材料是傳統(tǒng)顆粒材料的例子，由于其巨大的縱橫比，其適用性受到限制，這需要將其轉(zhuǎn)化為超薄自支撐薄膜。另一個(gè)問題是電極材料本身就很硬。電極和凝膠電解質(zhì)之間的力學(xué)失配可能導(dǎo)致接觸面上的應(yīng)力顯著集中，這可能會(huì)導(dǎo)致拉伸過程中的滑動(dòng)和分層。

由于柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，包括軟機(jī)器人、人造電子皮膚、可穿戴設(shè)備和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可拉伸導(dǎo)體材料的需求量很大。研究人員越來越關(guān)注導(dǎo)電水凝膠，因?yàn)樗鼈兙哂酗@著的生物相容性、低成本、優(yōu)異的導(dǎo)電性和可調(diào)的機(jī)械特性。這些水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有很大的潛力。導(dǎo)電水凝膠現(xiàn)在用于致動(dòng)器、傳感器和柔性儲(chǔ)能裝置。然而，當(dāng)水凝膠含有大量水時(shí)，它們會(huì)失去靈活性和導(dǎo)電性，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致它們?cè)诟邷厣踔潦覝叵抡舭l(fā)，并在低溫下凝結(jié)。研究人員已經(jīng)研究了在水凝膠中添加甘油和乙二醇等有機(jī)溶劑，這些溶劑具有良好的防凍和保濕特性，可以解決溫度穩(wěn)定性問題。這種方法成功地延長(zhǎng)了水凝膠的使用壽命。例如，聚丙烯酸水凝膠在溶解在甘油和水的混合物中時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械和導(dǎo)電性。凝膠在-50°C下繼續(xù)顯示出近1000%的開裂應(yīng)變，在環(huán)境溫度下放置7天后，由于甘油分子具有優(yōu)異的保水能力，凝膠的穩(wěn)定性能得以維持。然而，經(jīng)過30天的測(cè)試，凝膠逐漸失去了水分子，這使得它的導(dǎo)電性和脆性降低。

離子液體是由陽離子和陰離子組成的液體形式的有機(jī)鹽。它們具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性和非揮發(fā)性。離子凝膠具有比揮發(fā)性水凝膠更高的電導(dǎo)率和耐溫性，是柔性電池、軟機(jī)器人和儲(chǔ)能裝置中替代它們的有趣候選者，可以通過將它們固定在三維凝膠網(wǎng)絡(luò)中來制造。然而，離子液體昂貴的價(jià)格和可能的細(xì)胞毒性限制了它們的使用。為了解決離子液體的缺點(diǎn)，研究人員正專注于開發(fā)新的環(huán)保溶劑替代品。深共晶溶劑（DESs）是一種新型的液體組合，它結(jié)合了氫鍵供體和受體來產(chǎn)生；Abbott等人（2003）于2003年發(fā)現(xiàn)了它。與離子液體類似，DES具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性、低揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性。然而，它還具有無毒性、可負(fù)擔(dān)性、簡(jiǎn)單性和可生物降解性，這使其成為一種“綠色”離子液體。研究人員已經(jīng)使用DES制造出被稱為共析凝膠的獨(dú)特凝膠。但目前正在研究的這些凝膠大多不是很堅(jiān)韌或結(jié)實(shí)；因此，如果不需要高延展性，它們只能用作固體電解質(zhì)。盡管一些研究已經(jīng)取代了共析凝膠中的溶劑以提高其機(jī)械性能，但凝膠的電導(dǎo)率卻顯著降低。因此，制造具有優(yōu)異機(jī)械和電氣特性的共析凝膠仍然很困難，特別是對(duì)于使用柔性傳感器的應(yīng)用。

基于共析凝膠的柔性器件在材料科學(xué)領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展前景。強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、自愈性和疏水性只是這些設(shè)備必須提供的一些特殊品質(zhì)。由于這些特殊的性能，共析凝膠非常適合從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備到可穿戴電子設(shè)備的多種應(yīng)用。通過使用特定的電極納米結(jié)構(gòu)，共析凝膠可以靈活地結(jié)合到薄膜和塊體應(yīng)用中。除了預(yù)期的應(yīng)用外，共析凝膠還表現(xiàn)出顯著的生物相容性和與天然細(xì)胞外基質(zhì)的相似性。因此，它們非常適合用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如生物反應(yīng)器、專用分離系統(tǒng)以及自我調(diào)節(jié)和位點(diǎn)特異性藥物輸送系統(tǒng)。此外，共析凝膠非常適合組織工程應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢员葌鹘y(tǒng)方法更準(zhǔn)確地模擬細(xì)胞外基質(zhì)成分。共析凝膠制成的柔性設(shè)備有可能改變多個(gè)領(lǐng)域，并改善廣泛人群的生活。由于其出色的效率和靈活性，共析凝膠是未來開發(fā)柔性器件的潛在材料。共析凝膠是研究人員令人興奮的研究領(lǐng)域，因?yàn)椴牧峡茖W(xué)的不斷進(jìn)步及其改變工業(yè)和提高人們生活質(zhì)量的潛力。功能性納米級(jí)電極材料的發(fā)展正在推動(dòng)各種環(huán)境傳感應(yīng)用。共析凝膠除了在環(huán)境傳感應(yīng)用中的潛力外，在機(jī)器人應(yīng)用中也顯示出了潛力。通過密切模仿天然組織的機(jī)械性能，這些材料的靈活性和導(dǎo)電性為制造可穿戴傳感器、假肢和軟機(jī)器人開辟了新的可能性，可以增強(qiáng)人機(jī)交互。在這篇綜述中，我們首先概述了用于合成多功能共析凝膠的幾種常見設(shè)計(jì)策略，按組成、優(yōu)化策略和交聯(lián)方法分類，包括化學(xué)交聯(lián)、物理交聯(lián)和物理化學(xué)交聯(lián)。接下來，我們將探討共析凝膠技術(shù)的最新發(fā)展，重點(diǎn)介紹它們?cè)诳纱┐鹘】当O(jiān)測(cè)儀中的應(yīng)用。我們還介紹了增強(qiáng)機(jī)械、電氣和熱特性、自愈能力和生物相容性的尖端方法，這篇綜述還強(qiáng)調(diào)了它們?cè)诳纱┐鹘】当O(jiān)測(cè)應(yīng)用中的革命性（圖1）。我們還概述了基于共析凝膠的多功能柔性設(shè)備的最新進(jìn)展，以及它們?nèi)绾斡糜趦?chǔ)能系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行器。本綜述的最后一部分將共析凝膠整合到下一代柔性技術(shù)中，并全面總結(jié)了多功能共析凝膠研究的最新進(jìn)展。

本文亮點(diǎn)

本綜述旨在全面概述共析凝膠，重點(diǎn)介紹其常見的設(shè)計(jì)策略和關(guān)鍵的合成機(jī)制，重點(diǎn)介紹它們?cè)谌嵝詡鞲醒b置、能量存儲(chǔ)中的顯著性能和應(yīng)用，以及多功能共析凝膠在醫(yī)療系統(tǒng)中的當(dāng)前應(yīng)用。

圖文解析

圖1. 設(shè)計(jì)基于智能共析凝膠的柔性傳感器，用于可穿戴健康監(jiān)測(cè)。

圖2. 共析凝膠合成、單體捕獲過程和通過雙交聯(lián)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。（a1）ADM合成過程的示意圖。（a2）ADM單體捕獲的示意圖和靜電吸引的化學(xué)式表示以及誘導(dǎo)ADM捕獲單體的特定多重氫鍵相互作用。（b）通過將現(xiàn)有聚合物分散在DESs中合成的共析凝膠（c）肽增強(qiáng)共析凝膠結(jié)構(gòu)示意圖。（d）雙交聯(lián)p（am-co-AA）-Fe3+共析凝膠的生產(chǎn)過程和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。（e）SP-DN共析凝膠的設(shè)計(jì)。

圖3. 用于制備DES的典型（a）氫鍵受體（HBA）和（b）氫鍵供體（HBDs）。

圖4. 共析凝膠基柔性傳感器的粘合性能。（a1）0.4PC221%（ChCl）（EG）凝膠用于粘附和提起重物（100 g）、吸球（32 g）、布氏漏斗（60 g）、燒杯（109 g）和盒子（102 g）。凝膠的重量約為0.27克。（a2）原位合成的水凝膠和共析凝膠的純剝離曲線。（a3）原位制備的A0.4PC221%（ChCl）（EG）凝膠顯示出剪切剝離曲線。（a4）在不同基材上預(yù)制的0.4PC221%（ChCl）（EG）凝膠的透明剝離曲線。（b）DN共析凝膠的粘附性能。（b1）DN共析凝膠牢固地粘附在許多支撐200克重量的基材表面。（b2）不同表面上的DN共析凝膠力-位移曲線。（b3）DN共析凝膠對(duì)不同基質(zhì)材料的粘附強(qiáng)度。（b4和b5）使用玻璃作為基材時(shí)DN共析凝膠粘附強(qiáng)度隨溫度的變化。DN共析凝膠在不同分離-再附著周期的各種基質(zhì)樣品（b6）和（b7）上的粘附強(qiáng)度在14天的儲(chǔ)存期內(nèi)。

圖5. 基于共析凝膠的柔性傳感器的自愈特性。（a）基于TA的PDES材料經(jīng)過以下測(cè)試：（a1）劃痕修復(fù)；（a2）修復(fù)機(jī)構(gòu)的示意圖設(shè)計(jì)；（a3）焊接試驗(yàn)；以及（a4）原始和修復(fù)的TA基PDES材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（a5）SEG自愈的水下光學(xué)圖像。（a6）SEG在6小時(shí)之前（左）和之后（右）的水下自愈光學(xué)顯微照片。（b）具有30 wt%聚合物組分的DG-（Zr）共析凝膠顯示出自愈能力。（b1）共析凝膠在室溫下愈合兩小時(shí)后可以結(jié)合。（b2-b4）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和自行愈合的共析凝膠的自愈效率。（b5）一旦連接好愈合的共析凝膠，LED立即亮起。

圖6. 共析凝膠柔性應(yīng)變傳感器在跟蹤人體運(yùn)動(dòng)方面的多方面用途，強(qiáng)調(diào)了在不同環(huán)境和活動(dòng)中的功效和多功能性。（a）AgNWs/PAAc-DES柔性應(yīng)變傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。傳感器固定在（a1）肘關(guān)節(jié)、（a2）手指關(guān)節(jié)、（a3）手臂皮膚、（a4）眼睛側(cè)和（a5）手腕脈搏。（b）通過以下方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)CS-PA@Fe基于共析凝膠的傳感器。（b1）作為0%至150%的拉伸應(yīng)變的函數(shù)的相對(duì)電阻變化。共析凝膠傳感器檢測(cè)大關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（b2-b7）的相對(duì)電流變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)，包括行走和跑步、跳躍、頸部彎曲、手腕旋轉(zhuǎn)、手指彎曲、肘部彎曲和微妙的運(yùn)動(dòng)，包括深呼吸（b8）、微笑（b9）、吹氣（b10）和眨眼（b11）。c可拉伸和可穿戴的CAP織物傳感器：（c1）用于十次洗滌前（c2）和洗滌后（c3）手腕彎曲運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的非織造布和機(jī)織物傳感器。（c4，c5）分別在十次洗滌后，將帶有紅色LED燈的乳膠基傳感器拉伸至300%應(yīng)變，將帶有紅LED燈的織物基傳感器拉伸到300%應(yīng)變。（c6）基于乳膠的傳感器的拉伸釋放運(yùn)動(dòng)在300%應(yīng)變下檢測(cè)。在步行和跑步等運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)在膝關(guān)節(jié)上測(cè)試運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，該傳感器表現(xiàn)出卓越的響應(yīng)性和可重復(fù)性。

圖7. 共析凝膠傳感器在監(jiān)測(cè)心率和動(dòng)脈脈搏方面的創(chuàng)新應(yīng)用，展示了對(duì)脈搏信號(hào)和心電圖性能的一系列比較和分析。（a1）監(jiān)測(cè)動(dòng)脈脈搏的WDT共析凝膠傳感器的示意圖。（a2）橈動(dòng)脈脈搏分析。（a3）用于脈沖的HP-Fe0-Li0/HP-Fe5.5-Li2.1梯度共析凝膠應(yīng)變傳感器。（a4）相應(yīng)的心率被確定為每分鐘68次，脈搏信號(hào)清晰且可重復(fù)。（a5）使用商用Ag/AgCl電極和共析凝膠從30秒（≈43個(gè)峰值）導(dǎo)聯(lián)I數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的心電圖峰值時(shí)間無關(guān)的系綜平均值。（b1）使用商用Ag/AgCl、WDT和WPU/DES電極比較心電圖信號(hào)。（b2-b3）心跳的7-12Hz帶通。

圖8. 基于共晶凝膠的無線溫度監(jiān)測(cè)儀，強(qiáng)調(diào)其熱特性、操作效率和體溫測(cè)量的準(zhǔn)確性。（a1）PNCMA-78凝膠的熱導(dǎo)率。（a2）無線體溫監(jiān)測(cè)儀照片。（a3）紅外圖像捕捉到體表溫度，人工加熱，并恢復(fù)到25°C。（a4）根據(jù)手機(jī)上收集的數(shù)據(jù)繪制的溫度-時(shí)間曲線。（a5）分別使用深共晶凝膠傳感器和紅外相機(jī)繪制三種狀態(tài)下的溫度變化曲線。（b1）不同共晶凝膠的TGA曲線。（b2）不同共晶凝膠的DSC曲線。（b3）不同凝膠在60°C和120°C下的重量變化。（b4）不同溫度下P的剪切強(qiáng)度（DEST/AMPS）-1.5。（b5）分別在-25°C和25°C下不同凝膠的數(shù)字圖像。

圖9. （a）共析凝膠傳感器在水下通信中的應(yīng)用。（a1）基于莫爾斯電碼的水下通信機(jī)制示意圖。（a2）共析凝膠傳感器（a3）在手指和（a4）手腕的不同彎曲角度下的實(shí)時(shí)感測(cè)信號(hào)。通過在水下定期彎曲手指來發(fā)送（a5）“SOS”（a6）“危險(xiǎn)”和（a7）“謝謝”的信息。（b）疏水共析凝膠傳感器的水下傳感性能。（b1）應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)。應(yīng)變傳感器在不同應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化：（b2）0.2-5%，（b3）10-50%，（b4）100-300%。（b5）應(yīng)變傳感器在水下30%的固定應(yīng)變下循環(huán)200次的穩(wěn)定性。（b6）應(yīng)變傳感器的響應(yīng)時(shí)間。（b7）不同壓力下的相對(duì)電阻變化和壓力傳感器：（b8）1-50 kPa（b9）70-300 kPa。（b10）壓力傳感器在100 kPa固定壓力下200次循環(huán)的水下循環(huán)穩(wěn)定性。

來源：柔性傳感及器件