抗肿胀水凝胶可穿戴传感器：结构工程、内部水环境调控及复杂环境下的运动监测 综述：抗肿胀水凝胶可穿戴传感器：结构工程、内部水环境调控及复杂环境下的运动监测

《Gels》：Anti-Swelling Hydrogel Wearable Sensors: Structural Engineering, Internal Water Environment Regulation, and Motion Monitoring in Complex Environments

　　

随着可穿戴传感器向长期运动监测及湿润环境下运行的方向发展，性能重心正从灵敏度转向持续可靠性。水凝胶因其组织相似性柔顺性、生物相容性及可调导电性而成为极具吸引力的传感材料；然而，其水合网络在汗液、高湿及水下条件下易吸水，导致结构松弛、界面失稳、导电通路破坏及信号漂移。因此，抗肿胀设计应由降低肿胀比转向水传输、内部水环境、界面完整性及信号稳定性的协同调控。本综述总结了抗肿胀水凝胶基可穿戴传感器的最新进展，聚焦于结构工程策略（包括网络限域、表面疏水性、核壳架构及梯度结构）与材料调控机制（包括离子/配位交联、纳米限域、两性离子水合及溶剂化介导的抗水交换），着重阐明其在长期抗肿胀性能与环境适应性中的协同作用。汗液监测、水下运动感知、康复及智能交互等代表性应用证明了抗肿胀调控对于湿润环境下可靠传感的重要性。最后，研究人员归纳了现存挑战，并对结构–材料–界面协同设计、面向真实运动环境的标准化评价体系及可扩展制造的未来方向进行了展望。抗肿胀水凝胶传感器有望由低肿胀材料演变为面向水环境的自适应传感平台，推动水下运动监测、数字健康及水下人机交互的发展。

1. 1.
   引言
   可穿戴传感器正由短期信号采集向复杂环境下长期连续监测过渡。水凝胶凭借组织级柔软性、生物相容性及可调导电性成为重要平台，但其亲水基团与自由水使其在湿润、汗液及水下环境中持续吸水膨胀，引起聚合物链扩张、网络孔径增大、力学性能退化及导电组分重分布，进而导致界面分层、阻抗漂移与信号失稳。抗肿胀设计不应仅追求最低肿胀比，而需协同调控水传输行为、自由水与结合水分布、网络完整性、导电通路保留及稳定信号输出，同时维持机械柔性、导电性与界面适应性。
2. 2.
   结构策略用于抗肿胀水凝胶基可穿戴传感器
   水凝胶长期服役中的肿胀源于外渗压驱动的水侵入及链扩张。结构策略按空间层级分为体相网络限域、界面阻水屏障、空间功能分区及连续梯度调控，本文归纳为四类架构。
   2.1 网络限域结构
   通过增强网络稳定性、降低自由体积及限制聚合物链延伸抑制肿胀。由单网络经双网络（DN）、多网络、互穿聚合物网络（IPN）及链缠结网络演进。单网络靠提高交联密度与多重物理作用稳定框架；双网络结合刚柔亚网，如PAMAA/CMC-Na/Fe体系在宽pH下微胀，SBMA/AA–PVA双网络将肿胀比降至约80%且不断裂；多尺度交联与拓扑缠结进一步提升结构完整性与抗肿胀降解，半IPN中“SA–Ca²⁺–MXene”次级交联使平衡肿胀比降至2.56%（生理盐水）。
   2.2 表面疏水结构
   于界面构筑疏水屏障延缓水扩散。共价结合聚硅氧烷层可使平衡肿胀比由约800%降至约40%；界面动力学重构形成疏水表层，接触角由约35°升至约120°；仿生Janus双层“外疏内亲”实现超低肿胀比（约3.8%）且保留导电与黏附；梯度疏水结构由表及里调控水接触角由17.6°至91.9%，肿胀比维持在22.8–28.6。
   2.3 核壳结构
   外壳高交联阻水、内核柔顺导电机能分离。Fe³⁺梯度扩散形成配位壳层使平衡肿胀比5.8–14.8%，30天浸没压缩强度63.9–67.7 MPa；多价离子（Na⁺、Ca²⁺、Fe³⁺）扩散构建壳层，Fe³⁺致密均一；金属离子聚合与微相分离多层涂层由密到疏渐变，缓解突变界面。
   2.4 梯度结构
   连续空间变异交联密度、孔形态及电荷分布消除界面应力集中。电荷梯度水凝胶随离子浓度升而抑胀；定向退火铸造（DAC）PVA机械梯度使平衡肿胀比由约60%降至约30%，整体持水量低于理论累加；磁场组装Fe₃O₄@CA纳米粒配位固定得磁响应梯度，肿胀比2.7%；自漂浮聚硅氧烷交联剂成自组织梯度，孔隙率3.78–32.14%，肿胀比1083%降至442.9%。
3. 3.
   抗肿胀水凝胶的材料调控机制
   结构工程常与材料策略集成以保电气稳定性与界面黏附。
   3.1 离子/配位交联介导的致密化机制
   多价离子与羧/羟/氨基多点配位增有效交联、减自由体积。Al(OH)₃动态配位使人工海水V₂/V₁仅1.32；Al₂(SO₄)₃盐析收缩及Al–O–C配位令去离子水与盐水25天肿胀比12.31%与11.85%；TA–Fe³⁺使7天肿胀由735.9%降至50±20%；Zr⁴⁺配位MXene及羧基获30天累积肿胀1.74%，孔由25.45 μm缩至5.63 μm近无肿状态；二价离子以动态交换抑胀但约束较弱。
   3.2 纳米限域介导的抗肿胀机制
   纳米填料凭高径比障壁延长水迁移距。Laponite与单宁酸（TA）使GelMA肿胀为原1/8；Laponite“牌屋”构型降肿胀约58.9%且强韧化；Laponite与氧化石墨烯（GO）协同终达负肿胀（?41%）保导电通路连续（电导4.3 S·m^?1，GF 3.04）；SiO₂纳米粒占自由体降肿胀约55.7%；木质纤维素纳米纤维（LCNF）强韧DES水凝胶平衡肿胀约25%；结晶纤维素骨架海/淡水肿胀38%与48%。
   3.3 两性离子水合介导的抗肿胀
   两性离子链静电耦合成水合壳提结合水比。PVA/PSBMA双网络人工海水14天肿胀1.8%，伸长约830%，电导5.8 mS·cm^?1；P(SBMA-co-AA)/Al³⁺汗/海水平衡肿胀0.69与0.57；SBMA/CNT复合以物理交联稳环境且肿胀约30%，GF 10.35；Fe³⁺动态交联最小肿胀约33%。
   3.4 溶剂化介导的抗水交换机制
   多元醇、离子液体、低共熔溶剂（DES） eutectogel竞氢键降水活度。PVA/明胶/甘油24小时胀低于17%，电导1.4 S·m^?1，GF 3.15；乙二醇（EG）体系30天水胀约0.99%，0.2 M NaCl约0.44%；DES（氯化胆碱/EG）7天胀低于2%，?60°C柔稳；疏水DES接触角超110°，72小时胀约5%与2.6%。
4. 4.
   高湿汗液与水生运动环境的应用
   4.1 高湿汗液环境生理监测
   汗盐致界面水化层使附着力降、阻抗漂。儿茶酚–硼酸动态交联汗响附强力由13.45升至24.0 kPa；AMPS/CS/TA/MEA疏障维湿粘~67 kPa，400循环稳；Ca²⁺丝素致密PAA-NHS使电导1.01至1.46 S·m^?1，剪切40.02 kPa采肌电；SRBSS肿比2.7–3.2干油汗皮连心电；非肿胀Gel（Gr–PMAm）肿比低于0.2呼吸咳关节监。双层7天肿~20%低于常规~75%。标准框架拟：人工汗/PBS、37°C、90±5% RH、1 h–30 d，评质量、湿粘、阻抗、电导及跑弯摩擦信稳。
   4.2 水下环境生理监测
   水下浸渗蚀致肿导失层脱。PSBMA/TA@MMT肿~3%水下粘15.10 kPa；P(AA-co-LMA)/CTAB 15天水~0% 0–100%应无衰；PVA/P(SBMA-co-HEMA) 30天水肿~9%韧518 kJ m^?3电导4.58 S·m^?1；CS/离子液体双网百天水?3.79%无源警；P(AA-co-SBMA)/BC卷积神经分16泳姿99.37%；PVP/P(HEA-AA) organohydrogel二元溶剂肿9.4%仿鲸尾监；PPy/CMC/SA/PVA 150小水质变~5%电磁屏蔽。评框涵纯水/PBS/人工海、流压盐、游关形动长稳。
5. 5.
   结论与展望
   抗肿胀设计由抑胀转长稳界信协同。结构工程可令平衡肿低于5%，材料机制拓至电导界稳一体。挑战：过约束损柔导粘；宏指缺自由/结合水动演解析；实境汗渗离子摩温流缺标；制造成本安规瓶颈。未来建肿–信定量关联、原位表征水态、实景标测及材制智协，促运动健康复杂水境穿戴实装。