综述：智能水凝胶在传感和生物传感中的应用——制备、智能行为及新兴应用综述

这篇综述全面探讨了智能水凝胶在传感领域的应用，重点介绍了其制备方法（如物理/化学交联、3D/4D打印）、刺激响应机制（pH/温度/光敏性）及在生物医学（如葡萄糖监测、伤口愈合）和柔性电子（可穿戴传感器）中的前沿进展。文章系统分析了水凝胶的机械性能（弹性模量、压缩强度）、导电性（PEDOT:PSS、MXene复合）及生物相容性，为开发下一代智能传感材料提供了重要参考。

　　

智能水凝胶的传感革命

水凝胶概述
水凝胶是由亲水性聚合物网络构成的三维材料，能吸收大量水分（高达自身重量的1000倍）。其独特之处在于兼具固体机械性能和液体扩散能力，通过-SO₃H、-COOH等亲水基团实现超强吸水性。从1900年首次被报道到1960年Wichterle开发出首个合成水凝胶pHEMA，水凝胶已从第一代简单网络发展到第四代智能响应材料，在生物医学和电子领域展现出变革性潜力。

分类与合成
根据来源，水凝胶可分为天然（壳聚糖、海藻酸钠）、合成（PVA、PAAm）和杂化类型。物理交联法（如冻融循环）可制备可逆凝胶，而化学交联（如MBA交联剂）能增强机械强度。新兴的3D打印技术通过调控剪切稀化墨水（如含纳米纤维素的PVA）实现了复杂结构的精准构建，而4D打印则赋予水凝胶动态形变能力（如温度响应形状记忆）。

智能响应机制

• 物理响应：温度敏感型水凝胶（如PNIPAM）在LCST（约32°C）发生溶胶-凝胶转变，适用于可控药物释放；光响应水凝胶（含偶氮苯）可通过紫外光触发快速膨胀。
• 化学响应：pH敏感凝胶（如PAAc）在肠道pH下溶胀，实现靶向递药；葡萄糖氧化酶嵌入式水凝胶能通过H₂O₂生成实时监测血糖。
• 生物响应：酶响应水凝胶（如基质金属蛋白酶敏感肽）在肿瘤微环境中特异性降解，释放抗癌药物阿霉素。

前沿传感应用
1. 可穿戴健康监测
导电水凝胶（如PAAm/LiCl）制成的应变传感器可检测500%拉伸变形，用于关节运动监测。一项研究将MXene纳米片掺入PVA水凝胶，使传感器在-20°C仍保持导电性，解决了低温应用瓶颈。

2. 精准医疗诊断
表面增强拉曼散射（SERS）水凝胶（含AgNPs）能检测10^-12 M的肿瘤标志物。最新进展显示，等离子体水凝胶芯片可通过汗液分析实现无创肺癌筛查，灵敏度达92%。

3. 环境智能传感
荧光水凝胶（如碳量子点掺杂）可特异性识别重金属离子，对Hg²⁺的检测限低至0.009 nM。气敏水凝胶阵列通过颜色变化区分NH₃、H₂S等气体，在工业泄漏预警中表现突出。

挑战与展望
当前水凝胶传感器面临机械强度（多数断裂应变<1000%）与导电性（通常<10 S/m）的平衡难题。仿生策略如双网络结构（PAMPS/PAAm）可将韧性提升至2000 J/m²。未来趋势包括开发自供电系统（如摩擦纳米发电机集成水凝胶）和AI辅助的多模态传感，推动个性化医疗和环境监测的革新。