综述：多糖基导电水凝胶的研究进展：天然来源、功能类型及其在能源和生物医学应用中的作用

本综述系统探讨了多糖基导电水凝胶（Polysaccharide-Based Conductive Hydrogels）的最新研究进展，重点介绍了其天然来源（如壳聚糖、纤维素、淀粉等）、功能改性策略（如与碳纳米管、石墨烯、金属纳米粒子复合）及在柔性电子（Flexible Electronics）、生物传感（Biosensors）、伤口愈合（Wound Healing）、能量存储（如超级电容器Supercapacitors、燃料电池Fuel Cells）等领域的创新应用，为开发高性能、可持续的多功能智能材料提供了重要参考。

　　

引言

近年来，柔性电子技术在智能医疗和能源系统等领域迅速发展，推动了导电水凝胶材料的创新。多糖基导电水凝胶凭借其优异的生物相容性、可降解性和功能可调性，成为柔性电子器件的理想候选材料。这些水凝胶通过引入导电填料（如碳纳米管、石墨烯、聚苯胺等）或离子掺杂策略，实现了优异的导电性和机械柔性，广泛应用于生物医学和能源领域。

多糖材料概述

多糖是自然界中最丰富的可再生聚合物，来源包括植物、动物和微生物。常见的多糖材料包括：

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  羧甲基纤维素（CMC）：具有高反应性羧基，可通过与金属纳米粒子或导电聚合物复合增强导电性，应用于环境吸附和电子器件。

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  壳聚糖（Chitosan）：唯一碱性天然多糖，富含氨基，易于化学改性，具备抗菌性和粘附性，适用于伤口愈合和可穿戴传感器。

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  海藻酸钠（Alginate）：阴离子线性多糖，通过钙离子交联形成稳定水凝胶，常用于药物输送和组织工程。

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  琼脂糖（Agarose）：具温敏性溶胶-凝胶转变特性，适用于动态环境下的导电水凝胶制备。

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  淀粉（Starch）：来源广泛且成本低，但需通过氧化或交联改善其机械性能，常与导电聚合物复合用于柔性电子。

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  纤维素（Cellulose）：植物细胞壁主要成分，可通过纳米纤维素（如CNC、CNF）增强力学性能，并与MXene等材料复合提升导电性。

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  卡拉胶（Carrageenan）：从红藻中提取，具硫酸酯基团，可通过离子交联形成凝胶，用于水净化和生物医学应用。

导电水凝胶的制备与性能

导电水凝胶主要通过以下策略构建：

1. 1.

   离子导电水凝胶（ICH）：将盐离子（如Li⁺、Zn²⁺）引入水凝胶网络，通过离子迁移实现导电。

2. 2.

   电子导电水凝胶（ECH）：通过添加导电填料（如聚苯胺PANI、碳纳米管CNTs）或原位聚合形成导电网络。

3. 3.

   双网络结构：结合物理交联和化学交联，提升力学强度和导电均匀性。

关键性能包括：

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  导电性：离子型水凝胶电导率可达110 mS/cm（Zn²⁺/CMC体系），电子型水凝胶可达11.08 S/m（PANI/海藻酸钠体系）。

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  力学性能：通过MXene增强的PAA/SCMC水凝胶拉伸强度达310.5 kPa，韧性达206.7 kJ/m3。

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  自修复能力：基于动态氢键的水凝胶（如CNC@PANI体系）可在60秒内实现95%修复效率。

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  环境稳定性：通过添加甘油或DMSO赋予抗冻性（-60°C仍保持柔性），并通过表面涂层抑制水分蒸发。

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  生物功能：银纳米粒子（Ag NPs）或MXene的引入提供抗菌性，用于感染伤口治疗。

生物医学应用

伤口愈合

导电水凝胶通过模拟细胞外基质、维持湿润环境和释放抗菌成分（如Ag⁺）促进伤口愈合。例如，Ag NPs/CPH水凝胶显著加速感染伤口的组织再生；MXene/壳聚糖水凝胶结合电刺激增强抗菌效果和细胞增殖。

传感应用

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  气体传感器：壳聚糖/GO/Fe₃O₄/PANI水凝胶纳米复合材料检测氢气，灵敏度达16.64 μA/M，响应时间0.3秒。

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  生物分子传感器：壳聚糖/二肽纳米纤维水凝胶用于检测赭曲霉毒素A，检测限0.03 ng/mL。

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  运动监测传感器：壳聚糖/石墨烯纳米复合水凝胶粘附性强（798 N/m），应变响应灵敏，适用于人体生理信号监测。

能源应用

超级电容器

多糖水凝胶作为电极材料，具有高比电容和循环稳定性。例如：

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  MXene/纤维素纳米纤维水凝胶比电容达6090 mF/cm2（200 mg MXene负载）。

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  壳聚糖/聚苯胺水凝胶在10 A/g电流密度下循环10,000次后电容保持率84.5%。

燃料电池

壳聚糖/Na₂HPO₄水凝胶膜在直接硼氢化物燃料电池中功率密度达810 mW/cm2；Fe-N-C/壳聚糖催化剂在微生物燃料电池中功率密度提升33%。

太阳能电池

壳聚糖/苝染料材料用于染料敏化太阳能电池（DSSCs），转换效率2.022%；AgMXene@壳聚糖水凝胶用于太阳能界面蒸汽发电，效率达93%。

摩擦纳米发电机（TENG）

离子导电水凝胶（如CMC/LiCl体系）输出功率密度120 μC/m2，可为便携设备（如LED、LCD）供电。

结论与展望

多糖基导电水凝胶在柔性电子、生物医学和能源领域展现巨大潜力，但仍面临导电性不足、力学性能有限和长期稳定性差等挑战。未来研究方向包括：

1. 1.

   开发混合网络结构，结合纳米材料（如MXene、银纳米线）和动态交联策略。

2. 2.

   拓展在神经接口、心脏组织和可植入设备中的应用。

3. 3.

   通过绿色合成方法和标准化测试推动临床转化。

   通过多学科合作，多糖基导电水凝胶有望成为下一代智能、可持续的高性能材料。