综述：用于智能传感的天然生物质水凝胶：从组分交联工程到响应刺激的机制

《eScience》：Natural biomass hydrogels for intelligent sensing: From component crosslinking engineering to stimuli-responsive mechanisms

天然生物质水凝胶的交联网络结构与其传感器性能的内在关联及研究进展。本文系统综述了物理、化学及双交联机制对传感器灵敏度、稳定性和应用领域的影响，探讨了未来发展方向及挑战。

　　自然生物质水凝胶作为一种具有广阔应用前景的材料，近年来在传感器领域引起了广泛关注。它们之所以受到青睐，主要得益于其结构可调性以及丰富的官能团，这些特性使其能够适应多种环境，并对不同的物理和化学刺激做出响应。自然生物质水凝胶的应用已涵盖医疗诊断、环境监测以及智能系统等多个方面，展现出卓越的性能和潜在的商业价值。然而，尽管相关研究不断深入，目前尚缺乏对自然生物质水凝胶的交联网络结构与其组装传感器性能之间内在联系的系统性综述。本研究旨在填补这一空白，通过对代表性自然生物质材料（如纤维素、壳聚糖、海藻酸钠等）的分子结构特征进行分析，探讨其在水凝胶制备中的优势及其在各类传感器中的应用潜力。同时，本文也详细总结了不同交联机制（包括物理交联、化学交联以及物理与化学双交联）及其对传感器性能的影响，最后展望了自然生物质水凝胶在传感器领域的发展挑战和未来方向。

自然生物质水凝胶的结构可调性为其在传感器中的应用提供了广泛的可能性。这些水凝胶的交联网络结构不仅决定了其机械性能，还影响了其对刺激的响应特性。例如，物理交联网络由于其可逆性，能够实现快速响应和自修复功能，这使其在柔性传感器中具有重要价值。而化学交联网络则通过共价键提供更高的结构稳定性，适用于需要长期监测的医疗传感器。双交联网络结合了物理交联的可逆性和化学交联的稳定性，从而显著提升了传感器的性能，使其能够在极端环境下保持良好的机械强度和灵敏度。通过不同的交联策略，可以调控水凝胶的网络结构，进而优化其在压力、应变、温度和湿度等传感器中的应用效果。

在制备自然生物质水凝胶传感器时，材料的选择和交联方法的优化是关键因素。例如，纤维素因其丰富的羟基和氢键网络，能够形成具有优异机械性能的水凝胶，适用于应变传感器。海藻酸钠则因其与壳聚糖的电荷相互作用，能够形成稳定的三维网络结构，广泛应用于应变、生物和湿度传感器。壳聚糖由于其阳离子特性，能够吸附带负电荷的分子，使其在生物传感器和湿度传感器中表现出色。此外，淀粉由于其高亲水性和丰富的羟基，能够形成具有高弹性、可逆性以及良好离子迁移通道的水凝胶，适用于湿度传感器。而木质素则因其芳香环结构和自由基生成能力，能够参与光聚合反应，形成具有优异导电性和机械性能的水凝胶，适用于温度传感器。

自然生物质水凝胶的交联网络结构对其性能有着直接的影响。物理交联网络通常由氢键、静电相互作用、π-π堆积等非共价相互作用构成，具有良好的可逆性和自修复能力，但其机械强度和耐疲劳性相对较弱。化学交联网络则通过共价键形成，能够提供更高的机械强度和结构稳定性，但其网络结构较为紧密，可能限制了水分子的扩散，从而影响其对湿度变化的响应能力。双交联网络则结合了物理和化学交联的优势，不仅提高了水凝胶的机械性能，还增强了其在复杂环境中的适应能力。例如，通过引入双交联结构，可以显著提升水凝胶的应变灵敏度和响应速度，同时保持其良好的环境稳定性和生物相容性。

在传感器的应用中，自然生物质水凝胶展现出独特的性能优势。应变传感器能够将机械形变转化为可测量的电信号，其工作原理基于水凝胶网络结构在应变作用下的压缩或拉伸，从而改变导电路径。通过优化交联网络结构，可以实现更高的灵敏度和更宽的应变响应范围。生物传感器则利用水凝胶的生物相容性和分子识别能力，通过酶或抗体等生物分子的固定，实现对特定生物分子的检测。温度传感器则依赖于水凝胶的热响应特性，如亲水性或疏水性变化，从而改变其体积或电导率。湿度传感器则通过水凝胶对环境湿度的响应，实现对水分的吸收或释放，进而改变其电导率或电容。

尽管自然生物质水凝胶在传感器领域展现出诸多优势，但其发展仍面临一些挑战。首先，物理交联网络由于其较弱的键能，可能导致水凝胶在高强度或频繁变形的条件下出现结构不稳定或断裂。其次，化学交联网络虽然具有较高的机械强度，但其制备过程中可能引入有毒的化学交联剂，影响其生物相容性。此外，现有的水凝胶制备技术在规模化生产方面仍存在一定的局限性，如传统方法（如注塑、挤出和涂覆）可能受到环境因素（如粘附性、脱水和批次差异）的制约。因此，开发适用于自然水凝胶的高通量、可控性和低成本的制造技术成为当前研究的重点。

未来，自然生物质水凝胶在传感器领域的研究应重点关注以下几个方向。首先，需要进一步优化交联网络结构，以平衡其机械性能和响应能力。例如，通过引入纳米增强材料（如一维纳米纤维或二维纳米片）可以显著提升水凝胶的机械强度和导电性。其次，应探索更加环保和生物相容的交联方法，以减少对环境和人体的潜在影响。最后，需要开发更加智能化的传感器系统，使其能够实现多功能集成和高灵敏度检测。此外，建立标准化的性能评估体系和生物安全性认证，将有助于推动自然生物质水凝胶在医疗和工业领域的广泛应用。

综上所述，自然生物质水凝胶因其独特的分子结构和丰富的官能团，成为传感器领域的重要材料。通过合理设计交联网络结构，可以有效提升其在不同传感器中的性能表现。然而，要实现其在实际应用中的突破，仍需克服诸多技术挑战，如提升机械强度、优化生物相容性以及发展高效的规模化生产技术。未来的研究应注重这些方面的深入探索，以推动自然生物质水凝胶在智能传感器领域的广泛应用。