《Nano Select》：Flexible and Porous Hydrogel Architectures for Next-Generation Sensing Technologies
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集机械柔顺性与可控分子传输于一体的多孔水凝胶对于新兴的柔性生物电子学和生化传感平台至关重要，但成孔策略在控制生物传感中的传输行为及界面稳定性方面的作用尚未得到充分阐明。在本工作中，研究人员通过两种不同的制备路线——蔗糖致孔剂浸出和静电纺丝——设计了聚乙烯醇-聚
集机械柔顺性与可控分子传输于一体的多孔水凝胶对于新兴的柔性生物电子学和生化传感平台至关重要，但成孔策略在控制生物传感中的传输行为及界面稳定性方面的作用尚未得到充分阐明。在本工作中，研究人员通过两种不同的制备路线——蔗糖致孔剂浸出和静电纺丝——设计了聚乙烯醇-聚乙二醇二丙烯酸酯-海藻酸钠（PVA–PEGDA–SA）复合水凝胶，以系统研究加工方法如何决定膜结构及传输性能。致孔剂浸出法产生了特征孔径范围为10–20 μm的微孔网络，而静电纺丝法生成了具有亚微米级孔隙（0.2–0.4 μm）的互连纳米纤维膜。这些结构迥异的结构导致了根本不同的传输状态。浸出膜表现出增强的溶胀和高通量扩散路径，而静电纺丝膜则实现了受控的分子进入、降低的纳米尺度粗糙度以及改善的机械稳定性。对磷酸盐缓冲液中皮质醇的计时电流测量表明，静电纺丝膜显著抑制了基线噪声和非特异性传输，实现了稳定、浓度依赖的分析物扩散，并在低分析物浓度下改善了抗污染行为。重要的是，研究结果表明，制备路线不仅作为结构修饰因子，更作为控制水凝胶-电极界面行为的传输状态设计参数。本研究为定制用于柔性可穿戴传感器、唾液兼容诊断及选择性分子监测应用的水凝胶膜提供了机制性框架。
### 研究背景、问题与目标
柔性生物电子学和生化传感平台的快速发展对界面材料提出了兼具机械柔顺性、可控分子传输和抗污染能力的要求。水凝胶因其三维亲水网络结构、良好的生物相容性和可调的理化性质，被视为极具潜力的候选材料。然而，尽管已有多种聚合物（如聚氨酯、聚酰胺、明胶、壳聚糖）被用于生物分析平台，但它们在电化学兼容性、热稳定性、机械强度及生理环境下的pH耐受性方面仍存在局限。在制备方法层面，冷冻干燥、气体发泡等技术往往难以兼顾规模化与均匀性。唾液作为无创诊断液，富含皮质醇、尿酸、睾酮等标志物，但低分析物浓度、粘度变化及黏蛋白干扰等问题要求材料体系能够高效促进生物流体进入、分析物扩散及选择性传感器-分析物相互作用。目前，多孔水凝胶膜虽已展示出巨大潜力，但成孔策略如何从根本上影响传输行为及界面稳定性，尚缺乏系统性的机制理解。为此，研究人员以聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和海藻酸钠（SA）为基材，通过两种互补的制备路线——致孔剂浸出法和静电纺丝法——构建多孔水凝胶膜，旨在揭示加工方法对膜结构、传输状态及传感性能的支配作用。
### 主要技术方法（≤250字）
本研究采用致孔剂浸出法和静电纺丝法两种关键技术制备PVA–PEGDA–SA复合水凝胶膜。致孔剂浸出法以蔗糖（2% w/w）为致孔剂，通过刮涂成膜后浸水溶出蔗糖形成微孔结构；静电纺丝法在20 kV电压、0.2 mL h
?1流速和15 cm接收距离下制备纳米纤维膜。流变学测试（MCR300流变仪）评估粘度及模量；扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征形貌与粗糙度；衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学结构；接触角测量（Theta Lite 100）评估润湿性；渗透性测试记录液体穿透时间；溶胀实验测定吸水率；Korsmeyer–Peppas模型拟合扩散机制。电化学传感采用计时电流法（1 V偏压），以BTXI-DPA为有机染料传感层，在磷酸盐缓冲液（PBS）中测量不同浓度皮质醇（0.1–10 μg/dL）的响应。
### 研究结果
**3.1 配方优化与流变行为**
通过流变测试（粘度-剪切速率曲线、振幅扫描）考察不同PVA（5%–25% w/w）与PEGDA（25%–5% w/v）配比，发现所有水凝胶呈现剪切变稀特性。基于初始粘度（~20,000 mPa·s）、储能模量与损耗模量比（G′/G″ = 2.9）及线性粘弹区（LVR约12%应变），选定Hydrogel 2（10% PVA、20% PEGDA、1% SA、1%光引发剂）为最优配方，其平衡了弹性与流动行为，适用于后续刮涂和静电纺丝。
**3.2 多孔结构及化学表征**
SEM显示浸出膜具有微孔结构（孔径10–20 μm，表面孔隙率13.45%），静电纺丝膜呈现亚微米纤维网络（孔径0.2–0.4 μm，孔隙率8.91%）。EDS验证C、O元素均匀分布。接触角测量表明浸出膜（18.34°±2°）比静电纺丝膜（30.31°±2°）更亲水。FTIR证实各组分成功交联（PEGDA丙烯酸酯C=C拉伸峰在1635 cm
?1处消失），蔗糖特征峰在浸出膜中消失，说明致孔剂被有效去除，两种膜均保留PVA、PEGDA、SA的特征振动。
**3.3 机械性能、流体渗透与溶胀行为**
力学拉伸测试显示浸出膜杨氏模量约12 MPa，断裂应变约5%；静电纺丝膜模量18 MPa，断裂应变高达150%，柔性更优。渗透性测试中，浸出膜在50 μL输入下流速达1.2 μL min
?1，但20 μL时即破裂；静电纺丝膜流速稳定在0.3 μL min
?1，无破裂。溶胀实验（PBS中）表明浸出膜24 h内溶胀率超600%，而静电纺丝膜48 h内溶胀率低于100%。这些结果表明静电纺丝膜在机械柔韧性、受控渗透和抗过度溶胀方面优于浸出膜。
**3.4 传输状态的路径解释**
通过Korsmeyer–Peppas模型拟合溶胀动力学，确定传输指数
n：静电纺丝膜
n = 0.44，浸出膜
n = 0.36，两者均属Fickian扩散（
n < 0.5），但静电纺丝膜具有显著更高的动力学常数，表明其扩散驱动渗透更快、路径更均匀。浸出膜的宽孔径分布和随机连通性导致扩散路径变化，而静电纺丝膜的互连纳米纤维网络提供了更窄的孔径分布和更均匀的传输通道。此外，与其他多孔制备技术（如冷冻干燥、3D打印）对比，静电纺丝膜在控制界面质量传输方面具备优势。
**3.5 表面形貌与Zeta电位分析**
AFM显示浸出膜均方根粗糙度（RMS）为1.64 ± 0.45 nm，表面存在深缝隙；静电纺丝膜RMS为0.747 ± 0.31 nm，表面更平滑。Zeta电位测量表明静电纺丝膜ζ = -25 ± 2.0 mV，比浸出膜（ζ = -15 ± 0.8 mV）更负。平滑表面和更负电荷有利于静电排斥唾液中的蛋白和黏蛋白，减少非特异性吸附，为抗污染提供物理和静电基础。
**3.6 选择性分析物通过多孔膜的进入**
计时电流法比较裸电极、浸出膜和静电纺丝膜对0.1 μg/dL皮质醇的响应。裸电极基线噪声大，浸出膜略有改善但仍有波动，静电纺丝膜信号平滑稳定（电流约0.6 μA）。静电纺丝膜对0–10 μg/dL皮质醇呈现浓度依赖的电流增加，校准曲线（50、200、400 s采集稳态电流）展示良好线性。证明纳米纤维结构有效调控分析物扩散并抑制干扰，抗污染性能优异。
### 讨论与结论总结
讨论部分指出，浸出膜与静电纺丝膜之间的差异不仅是形态学上的，更反映出制备路线决定了定量的传输状态。电纺膜的纳米纤维网络提供了受控的路径曲折度和界面扩散通量稳定化，而浸出膜的大孔径和随机连通性引入了扩散动力学的不确定性。与其他多孔制备技术（冷冻干燥、3D打印）相比，电纺膜在实现窄孔径分布和均匀传输方面具有独特优势。表面粗糙度与Zeta电位联合说明电纺膜通过降低粗糙度、增强负电性减少污染。整体上，本研究将制备方法确立为传输工程参数和界面设计变量。
结论部分翻译：本研究表明，水凝胶膜的行为不仅受聚合物化学性质支配，更关键地由制备诱导的传输结构决定。致孔剂浸出的PVA–PEGDA–SA膜形成孔径10–20 μm的微孔网络，促进快速液体吸收和高通量扩散；而静电纺丝膜产生纤维状亚微米孔结构（0.2–0.4 μm），调控扩散路径并稳定分析物进入动力学。这些膜结构不仅在孔隙率上有差异，而且定义了具有不同功能影响的根本不同的传输环境。微孔网络倾向于增强渗透性，而纤维结构提供受控的分子进入和改善的界面稳定性。总之，这些发现将制备方法定位为传输工程参数以及定制用于需要选择性分析物传输和稳定信号响应的生物传感应用的水凝胶生物界面的主要设计变量。
