《Wearable Electronics》：Hydrogel-enabled wearable bioelectronics from health monitoring to wound therapy
水凝胶凭借其优异的生物相容性，已从用于隐形眼镜、药物递送和伤口敷料的水合生物医学基质，发展为软组织生物电子学的功能性界面，并逐步引入导电性、自愈合能力、高拉伸性和韧性以及刺激响应性。在本综述中，这段历史之所以重要，是因为面向伤口的器件如今要求单一材料层同时承担多项任务：维持湿性接触、传导电荷、在渗出液下粘附、耐受运动以及支持治疗。因此，水凝胶已被应用于伤口敷料、生理监测、生化传感、运动检测和药物递送。
当水凝胶的含水聚合物网络能够改善与软组织的接触并支持离子传输、分子交换、粘附或治疗性负载时，它便可用于伤口生物电子学。这些特性同时也带来风险：水分流失改变电导率，溶胀改变传感器几何形状和释放动力学，而较弱的湿粘附则产生运动伪影。因此，核心问题并非水凝胶在孤立状态下是否柔软或导电，而是其耦合特性在穿戴过程中能否保持稳定。
近年来，穿戴式生物电子学已从以监测为导向的范式转向以干预和治疗为导向的范式。在慢性伤口等复杂场景中，仅靠监测往往不足以改善预后，因此需要将传感、数据处理和执行模块（包括电刺激、光热/光动力治疗、离子电渗/离子递送以及经皮药物给药）集成到闭环治疗系统中。在此背景下，治疗界面成为性能和转化的关键瓶颈：皮肤粗糙度和持续变形导致共形接触和粘附丧失，从而引起阻抗波动和运动伪影；此外，电子导体与离子传导组织之间的阻抗失配和界面极化降低了记录/刺激效率并增加了功耗。将水凝胶作为功能性界面层，可以同时提供湿性微环境、低阻抗电耦合和柔顺的共形性，从而为治疗性可穿戴系统提供材料基础。
值得注意的是，近年来的研究越来越强调界面工程化的水凝胶穿戴器件，其超越了单功能传感，转向与治疗相关的操作。当前的设计趋势集中于整合稳定的湿粘附、低阻抗生物电耦合和机械鲁棒网络（例如抗溶胀、自愈合和高拉伸性），以抑制运动伪影并在长期真实穿戴中保持可靠性能。同时，可穿戴水凝胶平台正在被开发用于将读出/监测与受控干预相耦合，支持医疗可穿戴设备中新兴的诊断-治疗一体化范式。总之，这些进展强化了如下观点：水凝胶不应仅被视为被动的软基质，而应被视为可工程化的治疗界面，需协同优化水合控制、粘附持久性和高效生物电耦合。
只有当水凝胶的湿性、柔软且生物活性的界面能够解决特定伤口问题时，才应选择使用水凝胶。在湿组织接触和低阻抗耦合方面，它们通常优于弹性体或超薄干膜，并且比纺织品更容易功能化以负载生化或治疗组分。但它们并非自动适用于干燥皮肤监测、高负荷运动传感或长达数月的穿戴，在这些场景中，脱水敏感网络可能不如更稳定的干界面。然而，当需要无水分流失的长期离子稳定性时，它们不能替代离子凝胶；当高电子电导率和极端拉伸性优先于生物活性界面时，也不能替代液态金属复合材料。
尽管进展迅速，水凝胶赋能的穿戴式生物电子学在伤口管理中的实际转化仍受到一个核心错配的限制，即孤立的材料优化与集成化治疗操作之间的脱节。电导率、粘附性、拉伸性、响应性、抗菌活性和药物释放能力往往被单独优化，而面向伤口的器件要求这些功能在水合、可变形、受污染且患者多变的条件下保持协调。脱水可引起阻抗漂移；溶胀可干扰信号稳定性和释放动力学；重复运动可产生界面间隙和运动伪影；伤口渗出液可削弱粘附并改变电荷传输；多功能添加剂可能改善传感或治疗，却引入长期安全性隐患。因此，关键问题并非水凝胶能否在单一性能上达到高值，而是其耦合功能能否在现实的伤口护理操作窗口中保持稳定。近期的综述已总结了导电水凝胶、天然智能水凝胶、可穿戴伤口系统、水凝胶生物电子学或一般水凝胶分类。然而，尽管数量众多，这些综述共有一个局限：它们大多按材料类别或单一功能来组织文献，并停留在描述性层面，将导电性、粘附性、溶胀性、力学性和治疗能力呈现为平行成就，而非同一界面上相互竞争的需求。因此，它们很少评判某项报告的性能在伤口环境中是否真正存活，也不提供跨界面的基准级比较或明确的选择标准，以告诉开发者该选择哪种水凝胶以及它可能在何处失效。因此，所缺失的不是另一份材料清单，而是一种批判性阐述，将水凝胶视为一个工作界面，其耦合性能必须在真实伤口条件下保持在一起，并明确其稳定性极限和失效模式。
本综述聚焦于连接伤口组织、电子硬件和治疗决策的水凝胶界面，通过提出以下问题来填补特定空白：当传感、粘附、水合、力学、抗菌作用和治疗释放必须在移动、潮湿、受污染的伤口上协同工作时，哪些水凝胶性能能够保持稳定？因此，本文使用的三轴分类法旨在作为一种设计工具：组成轴评估生物相容性和可加工性；电荷传输轴评估传感和刺激稳定性；治疗配置轴评估系统能否从监测转向受控干预。这种框架有助于识别水凝胶是什么，以及它在转化过程中可能失败的地方。
与此脉络一致，本文的分析遵循从一般可穿戴设计原则到伤口特异性需求的演进。主要演示一般应变传感、运动监测或表皮记录的工作，只要其提供了可迁移的设计原则（如接触稳定性、水合管理或长期穿戴耐久性）且对面向伤口的应用有启发，便被纳入。实质性讨论随后追踪水凝胶在伤口状态传感、局部干预、用于伤口护理的表皮耦合以及临床监督的闭环管理中的路径，从而检验每个示例在保持湿性、可变形、受污染界面可靠性方面揭示了什么，而非其独立器件性能。综述的范围和组织总结于图1。
为进一步阐明本综述背后的历史逻辑，图2总结了水凝胶赋能穿戴式生物电子学从早期生物医学水凝胶到治疗性和闭环伤口护理系统的演变。该时间线突出了两个平行转变：一是材料从水合生物医学基质向导电、粘附、可拉伸、自愈合和刺激响应的水凝胶网络转变；二是器件从被动伤口覆盖和生理监测向集成传感、干预和反馈调节治疗转变。这一历史视角通过展示为何当前水凝胶设计应被视为系统级界面问题而非孤立材料性能优化，补充了图1的整体框架。
论文主体部分总结如下：
2. 水凝胶的机理与关键性能
2.1 水凝胶的聚合物化学
聚合物化学决定了水凝胶网络能否形成，也决定了其在真实可穿戴条件下能否作为稳定、组织相容且电活性的界面。聚合物基质的化学结构控制着保水性、溶胀行为、离子迁移率、机械耗散、界面粘附、降解和治疗释放等耦合性能。水凝胶网络通常通过物理、化学或动态共价交联构建。物理交联依赖可逆非共价相互作用，提供温和凝胶化、自愈合和机械适应性，但可能面临蠕变、结构松弛和湿/富离子环境中稳定性不足。化学交联提供更稳定的共价网络，但可能引入残留交联剂、不可逆变形等问题。对于治疗性可穿戴生物电子学，关键在于设计平衡稳定性与适应性的交联架构，如动态共价键、超分子相互作用、双网络、互穿网络和混合交联策略。交联密度过高会限制溶胀、分子扩散和治疗释放，而过低则导致弱粘附、快速降解和信号不稳定。因此，交联化学定义了一个实用的设计窗口。在伤口面向的可穿戴系统中，聚合物化学必须兼顾湿微环境维持、低阻抗生物电耦合、湿组织粘附、治疗剂释放以及避免细胞毒性或炎症反应。这些要求相互依存，需从系统角度共同优化网络结构、水合状态、电荷传输、界面力学和生物响应。
2.2 电导率
电导率影响信号传输、界面阻抗、电化学读出和刺激效率。对于伤口器件，电导率仅在湿性、移动和化学多变条件下保持稳定时才有用。报道的峰值电导率（如13 S·m
?1或192.7 S·m
?1）应与阻抗漂移、水合损失、循环变形和伤口液干扰一起解释。离子导电水凝胶提供组织相容的电荷传输和低界面阻抗，但受脱水、离子迁移、溶胀和伤口液成分变化影响。电子导电水凝胶可改善电化学读出和刺激效率，但导电填料可能引起聚集、刚度失配或拉伸性降低。混合离子-电子导电水凝胶对于桥接离子导电组织和电子操作器件具有吸引力，但其相稳定性和长期电荷转移行为仍需关注。未来评估应包括水合、变形和生物流体丰富条件下的阻抗漂移、电导率保持率、电化学稳定性和信号重现性。
2.3 柔性与机械性能
机械性能应通过水凝胶在日常运动中维持伤口接触的能力来评估。界面必须适应不规则组织，抵抗撕裂，避免疼痛应力集中，并保持传感或治疗模块与伤口表面对齐。机械性能应以接触稳定性而非峰值强度来判断。高拉伸性或抗拉强度并不保证可靠的可穿戴操作，因为过大刚度、滞后或疲劳会增加运动伪影并减少与不规则伤口的接触。在伤口护理中，相关参考组织不是完整皮肤，而是肉芽组织和再上皮化组织，其模量低、演化且空间异质。机械稳定性直接影响信号和剂量稳定性：当网络蠕变、分层或失去接触压力时，传感基线漂移，控制药物释放的扩散路径改变。在数天至数周的真实穿戴时间尺度上，决定性变量是循环、多轴和水合载荷下的疲劳和蠕变。因此，机械性能应通过延长循环载荷后保留的接触、模量匹配和信号保真度来基准化，而非原始样品的单次拉伸指标。
2.4 生物相容性
伤口生物电子学中的生物相容性是长期接触问题，而非简单的细胞毒性检查点。水凝胶可能包含导电填料、抗菌剂、光热材料、粘附基序或响应性药物载体。每个组分可改善功能，但也可能影响炎症、致敏、降解、灭菌和愈合。生物相容性应作为长期界面性能评估，而非仅短期细胞毒性结果。金属离子、纳米颗粒、导电聚合物、氧化还原活性基团或强粘附基序可能引入炎症反应、降解产物、致敏或组织修复受损等隐患。对于慢性或糖尿病伤口，组织微环境已发炎且脆弱，因此应包含炎症反应、上皮化、成纤维细胞活性、血管生成、降解行为、灭菌相容性和重复暴露安全性等更全面的生物学评价。
2.5 自愈合性能
自愈合仅在其恢复器件功能时才有意义，而不仅是恢复可见形状。关键问题是机械恢复是否伴随导电性、粘附性、传感基线和释放行为的恢复。水凝胶可能在损伤后恢复宏观形状，但其导电通路、粘附界面、传感校准或治疗释放行为可能无法完全恢复。此外，实现自愈合的动态键也可能在湿性和富离子伤口条件下增加蠕变、应力松弛或环境敏感性。因此，自愈合水凝胶应通过耦合恢复指标评估，包括机械恢复、导电恢复、粘附恢复、信号基线恢复和重复损伤后的治疗功能保持。
2.6 保水性与透气性
水凝胶的保水性和透气性对其作为可穿戴设备中伤口敷料的应用至关重要。这些特性确保水凝胶能维持支持伤口愈合的湿性环境，同时促进组织再生所需的气体交换。透气性允许氧气和二氧化碳渗透水凝胶，这对细胞代谢和组织修复至关重要。高含水量赋予水凝胶柔软性和共形性，而保水能力有助于维持有利于细胞增殖和组织再生的湿性伤口环境。水合控制应被视为首要设计变量。保湿剂和亲水网络可减缓脱水，而多孔、超薄或分层结构可改善气体交换和舒适度。保水与透气形成最明显的设计冲突：保水设计可能降低透气性，而透气结构可能加速阻抗漂移。
3. 用于柔性可穿戴生物电子学的水凝胶类型
水凝胶根据组成分为天然衍生、合成/半合成和混合/复合体系。本综述沿三个互补轴分类：组成、电荷传输行为和治疗配置。组成轴定义基质的结构和生物学基础；电荷传输轴区分离子、电子和混合离子-电子导电系统；治疗配置轴描述水凝胶如何参与响应性传感、货物递送、电活性/自供电操作或诊疗调节。该三轴框架将材料身份与器件功能和治疗逻辑联系起来。组成决定基线生物相容性和可加工性，传输模式支配生物电子通信，治疗配置定义监测和干预如何耦合。该框架还可预先标记转化风险：天然水凝胶倾向于面临机械和批次变异限制；电子导电复合材料倾向于面临分散、刚度和安全限制；诊疗系统倾向于面临传感-剂量-功率协调限制。
3.1 组成定义的水凝胶
3.1.1 天然衍生水凝胶
天然衍生水凝胶由微生物、植物或动物来源的聚合物构建，因其生物相容性、生物降解性和内在生物活性而保持核心地位。多糖类系统如海藻酸盐、纤维素、壳聚糖和透明质酸被广泛使用，蛋白质和细胞外基质衍生系统如丝素蛋白、胶原蛋白、明胶、纤维蛋白和弹性蛋白进一步增强细胞-基质相互作用。然而，天然衍生水凝胶常受批次变异性、有限机械鲁棒性和降解可控性差的影响。当前策略越来越依赖交联、组成优化和生物活性整合，将其从被动敷料转化为生物指导性治疗界面。近期进展包括基于生物质衍生的导电水凝胶电子皮肤贴片用于实时伤口状态监测和治疗，以及仿生物水凝胶贴片用于智能疼痛监测和按需镇痛。
3.1.2 合成和半合成水凝胶
合成和半合成水凝胶由化学工程聚合物主链或改性生物聚合物衍生物定义，提供改进的结构控制、重现性和功能可编程性。常见实例包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酰胺基网络，以及聚氨酯和聚酯衍生系统如聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物和聚己内酯。半合成水凝胶通常通过改性明胶、透明质酸、葡聚糖或壳聚糖生成，结合天然聚合物的生物活性与合成网络的可加工性。这些系统越来越多地整合到器件级伤口平台中，如用于糖尿病伤口管理的水凝胶集成柔性电子平台，以及用于下一代健康管理的皮肤表皮电子器件。
3.1.3 混合/复合水凝胶
混合或复合水凝胶在一个网络或互穿架构中包含两种或多种不同组分，通常结合天然聚合物、合成聚合物、导电相、无机纳米材料或治疗性货物。天然-合成混合用于平衡生物活性和结构稳定性，纳米复合策略引入石墨烯衍生物、MXene、金属纳米颗粒、硅酸盐或生物活性陶瓷以增强导电性、抗菌活性或光热响应。互穿和双网络设计允许独立调节弹性、韧性和传输行为。混合/复合水凝胶应被视为多功能集成系统，尽管组成复杂性增加也带来界面相容性、重现性和长期稳定性的挑战。
3.2 电荷传输定义的水凝胶
3.2.1 离子导电水凝胶
离子导电水凝胶通过聚合物网络水相中移动离子的迁移传输电荷。其导电性通常由盐、离子液体、聚电解质或可电离基团引入。常见基质包括PVA、海藻酸盐、纤维素和两性离子水凝胶。性能取决于离子浓度、保水性、交联密度和孔结构之间的平衡。离子导电水凝胶被理解为组织匹配的软导体，用于可穿戴传感和刺激接口。当前方向是朝向具有更好机械柔顺性和生理稳定性的离子导电表皮系统。
3.2.2 电子导电水凝胶
电子导电水凝胶依赖渗透导电相支持电子传输。导电性主要来自共轭聚合物、碳纳米材料、金属纳米结构或相关电子活性填料。代表性实例包括含聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、PEDOT基材料、石墨烯或碳纳米管的水凝胶。其主要优势在于更快更有效的电荷转移，但常伴随导电相聚集、拉伸性降低和刚性填料与软组织基质之间的失配。近期工作强调通过表面改性、动态交联和纳米尺度分散控制进行相容性工程。
3.2.3 混合离子-电子导电水凝胶
混合离子-电子导电水凝胶在单一系统内同时支持离子和电子电荷传输。这种双重性对于桥接生物和电子领域特别有吸引力。此类系统通常通过将含电解质亲水基质与导电聚合物或纳米填料结合构建，例如PEDOT:PSS、聚吡咯、石墨烯或MXene衍生组分。其双传输行为实现更广泛功能，包括电化学生物传感、信号转导、刺激、能量存储和响应性治疗释放，但也引入更大的结构复杂性、更严格的相兼容性以及制造和长期使用中传输稳定性的要求。
3.3 治疗配置定义的水凝胶
3.3.1 刺激响应性水凝胶
刺激响应性水凝胶设计为响应外部或内源触发因素（如温度、pH、光、电场、酶、活性氧、葡萄糖或机械变形）而改变其物理化学状态。其定义特征是特定刺激与可测量或治疗相关输出之间的程序化耦合。pH和ROS响应水凝胶常用于反映感染或炎症，而温度和应变响应系统更适合生理监测。该领域正朝向多刺激响应设计发展，以提高选择性和减少复杂伤口环境中的信号干扰，但长期稳定性和可重现制造仍是重要障碍。
3.3.2 货物集成水凝胶
货物集成水凝胶的特征是将治疗性或生物活性载荷纳入网络，用于局部保留和受控释放。货物可包括小分子药物、抗生素、抗氧化剂、抗炎剂、蛋白质、生长因子、核酸、细胞外囊泡、活细胞或多功能纳米颗粒。该类别相关性在于其双重功能：水凝胶既作为软组织界面，又作为局部治疗储库。在可穿戴系统中，此设计有助于减少全身副作用，延长伤口部位停留时间，并将释放行为与病理状态演化耦合。货物集成水凝胶正被工程化以实现由生化线索或外部信号触发的时空调节释放。
3.3.3 电活性和自供电水凝胶
电活性和自供电水凝胶代表一种专门的治疗配置，其中水凝胶直接参与电刺激、机电转换或局部能量转导。其区别于传统导电水凝胶之处在于功能：不仅用于传输电荷，还用于介导治疗性电线索或维持器件运行而不持续依赖外部刚性电源。电活性水凝胶可向伤口传递电刺激，影响细胞迁移、增殖、血管生成和组织再生。自供电系统通过集成摩擦电、压电、生物燃料或相关能量收集模块扩展此概念。这些系统对可穿戴生物电子学特别有吸引力，因为它们支持自主和微创治疗，但进一步发展仍取决于输出稳定性、器件集成和重复变形下长期安全性的改进。
3.3.4 诊疗水凝胶
诊疗水凝胶在单一平台内集成诊断和治疗功能，代表最先进的可穿戴水凝胶系统类别。其定义特征是闭环功能耦合：水凝胶感知病理信号，处理或转导信息，然后触发或引导治疗响应。在伤口管理中，典型诊疗设计可检测pH、葡萄糖、活性氧、细菌负荷或机械状态，并通过调节药物释放、电刺激或局部微环境调节来响应。此类功能对慢性伤口特别相关，但临床转化仍具挑战性，因为传感准确性、治疗可靠性、功率管理和制造重现性必须在单一器件级系统中协调。
4. 水凝胶的制备方法
4.1 物理交联方法
物理交联适用于温和凝胶化、自愈合和自适应机械性能，但伤口渗出液和重复变形可削弱依赖单一可逆相互作用的网络。其伤口护理价值在于短期至中期穿戴舒适性和可修复性。当前研究已超越简单超分子缔合，转向多级物理网络。代表性研究包括基于rGO的纳米复合水凝胶电极、机械自适应导电水凝胶支持表皮表面肌电采集和糖尿病伤口愈合，以及受限空间增强氢键交联产生超薄且坚韧的复合水凝胶膜。
4.2 化学交联方法
化学交联提供更强的内聚力和更好的抗溶解性，适合较长穿戴伤口界面。其代价是较低的可逆性和对残留试剂、刚度、降解和生物适应的潜在担忧。近期进展显示从静态共价固定向自适应化学交联的明确转变。动态硼酸酯化学、席夫碱形成、酶介导凝胶化和点击型反应越来越多地被用于协调结构耐久性与自愈合、响应性和界面柔顺性。研究强调了动态共价和双网络设计在柔性电子水凝胶中的价值，以及苯硼酸/酯化学在需要可逆键合和刺激敏感行为的生物医学水凝胶中的重要性。
4.3 基于3D打印的制备方法
3D打印在伤口器件需要患者特异性几何形状、图案化治疗储库或空间组织导电通路时最相关。其转化价值较少取决于视觉复杂性，更多取决于打印保真度、墨水稳定性、通量、灭菌耐受性和可重现器件集成。3D打印的价值在于空间组织传感域、治疗储库、导电通路和机械支撑结构于患者适应的伤口界面内。未来影响将取决于可打印水凝胶墨水能否同时满足流变可打印性、打印后机械完整性、稳定电荷传输和长期可穿戴条件下的生物安全性。
4.4 微流控
微流控在水凝胶器件需要纤维、液滴、梯度、通道或受控释放结构时有用。对于伤口护理，其局限在于规模：精确微结构必须集成到鲁棒、低成本、可穿戴格式中。近期进展集中于纤维工程和结构化微器件构建。微流控纺丝产生的水凝胶纤维正成为智能可穿戴纺织品的重要构建块。微流控也适用于多功能传感器件构建。微流控的价值在于微尺度架构、各向异性传输、受控释放或纤维状器件格式，但需与可扩展性和系统集成一起评估。
4.5 静电喷雾
静电喷雾，包括电喷雾和相关电流体动力学雾化策略，已成为沉积治疗制剂、生成共形水凝胶涂层和产生微/纳米尺度水凝胶颗粒的实用途径。其价值在于在不规则表面上实现相对均匀的沉积，同时控制液滴或颗粒尺寸。天然聚合物如海藻酸盐、壳聚糖和胶原蛋白支持湿性愈合和生物相容性，合成聚合物如PCL、PLA和聚乙二醇提供更好的力学和缓释行为控制。该领域正从简单涂层向多功能治疗界面设计发展。电喷雾被强调为产生尺寸受控治疗载体的重要途径，便携式静电纺丝和喷雾相关技术在现场敷料形成中具有转化价值。
4.6 丝网印刷
丝网印刷是平面电极、传感单元和一次性伤口贴片的实用途径。其优势在于可扩展图案化而非结构复杂性。主要约束是墨水流变性、边缘保真度、干燥稳定性和水凝胶-基底粘附。近期研究已将平面水凝胶兼容制造从基本传感贴片扩展到更集成的伤口监测和表皮生物电子平台。丝网印刷的强度在于可重现、低成本、可扩展地集成平面电极、传感单元和界面水凝胶层。未来可印刷水凝胶系统应围绕墨水流变性、图案保真度、基底粘附、后固化稳定性和与一次性或大面积穿戴格式的兼容性进行优化。
4.7 光刻
光刻适用于小型化传感阵列、微通道和图案化水凝胶电极。对于伤口敷料，高分辨率需与光引发剂安全性、光穿透、加工成本和柔性基底兼容性权衡。光刻的价值在于将水凝胶化学转化为空间定义的微结构和传感界面。然而，对于面向伤口的可穿戴生物电子学，高分辨率应与材料柔软性、光引发剂安全性、加工复杂性和大面积/可变形基底兼容性平衡。因此，光刻最适合小型化传感阵列、微流控界面和图案化水凝胶电极。
4.8 牺牲模板
牺牲模板在需要内部孔、通道或分隔释放通路时最有用。其缺点在于实际复杂性：模板去除、几何保持和批次重现性可能比直接凝胶化或打印更难。牺牲模板策略对于需要内部传输通路、渗出液管理、血管样通道或分隔治疗释放的水凝胶器件特别重要。其关键限制是结构可编程性常以多步处理和可能的几何变形为代价。未来发展应聚焦于简化模板去除、提高重现性以及将牺牲架构与可扩展可穿戴器件制造集成。
4.9 仿生设计
仿生设计应被视为设计原则而非另一制造类别。当组织样层次、各向异性、润湿性或机械耗散直接改善伤口接触、渗出液管理或愈合响应时，它是有价值的。近期研究表明，层次组织、各向异性和梯度架构正越来越多地集成到印刷水凝胶系统中用于智能再生。仿生不对称超润湿材料与智能伤口敷料和流体调节相关。仿生设计正成为连接水凝胶化学、制造路线和治疗功能的统一原则。总之，水凝胶制造已从简单网络形成发展为功能导向制造。制备策略应通过分辨率、通量、加工成本、重现性和器件兼容性等实用基准进行比较。
5. 水凝胶赋能穿戴式生物电子学在伤口管理中的应用
监测、治疗、表皮接口和闭环调节应被视为顺序连接的模块。水凝胶赋能的可穿戴生物电子学正重新定义伤口管理，因为它们不仅覆盖伤口，还主动与伤口组织交互，获取生化和生理信号，并在许多情况下以响应或可编程方式递送治疗。其核心原因在于水凝胶独特地结合了高含水量、组织样力学、共形粘附、离子/电子传输和生化可调性。
5.1 水凝胶赋能伤口状态监测
水凝胶赋能伤口监测已变为最具代表性的应用之一，因为水凝胶可同时提供湿组织接触、机械柔顺性、分子识别和信号转导。这些系统将伤口微环境动态变化转换为光学、电学、电化学或无线输出。总体而言，伤口监测应从信号可检测性转向临床可解释的信号稳定性。有用传感器不仅是理想条件下高灵敏度的传感器，而且是能维持校准、抵抗生物污损、耐受溶胀和变形、并将病理变化与正常愈合阶段变化区分开的传感器。
5.1.1 理化微环境传感
理化传感是目前最成熟的应用模式，因为伤口pH、葡萄糖、温度、湿度和离子组成与感染、炎症、代谢失衡和愈合阶段紧密相关。pH特别有用，因为慢性和感染伤口常趋向碱性，愈合伤口趋向酸性。葡萄糖与糖尿病伤口相关。温度可通过比色、电阻或电容方式监测。代表性研究包括光子晶体水凝胶用于视觉葡萄糖监测并集成pH和温度模块；基于甲基丙烯酰化壳聚糖和聚乙烯醇的长效电化学pH传感水凝胶贴片；以及水凝胶微针系统将传感从表面渗出液扩展到皮下间质液。然而，校准漂移、循环溶胀、环境干扰和长期网络不稳定性仍是主要挑战。
5.1.2 炎症和感染相关传感
与一般理化监测相比，炎症和感染相关传感更具病理直接性，因为它靶向驱动慢性不愈合伤口的分子事件，包括氧化应激、蛋白酶过表达、细菌代谢和持续炎症激活。水凝胶可通过引入氧化不稳定基团、酶可裂解基序、荧光报告器或感染相关热致变色和电化学模块作为响应换能器。监测信号与伤口病理更紧密对齐。例如基质金属蛋白酶-9与慢性炎症和细胞外基质降解相关，活性氧过量产生导致细胞损伤，细菌负荷可通过局部温度升高、酶分泌或抗生素耐药相关代谢活动推断。代表性工作包括MMP-9响应水凝胶根据病理蛋白酶水平释放M2巨噬细胞外泌体；热致变色抗菌导电水凝胶贴片集成温度相关感染预警和治疗能力；智能响应微针平台实现智能手机辅助视觉诊断感染伤口并支持光动力治疗耐药菌。挑战在于慢性伤口中多信号共存和重叠，需转向多重传感、分层信号分离和病理感知解释模型。
5.1.3 多模态集成监测平台
多模态监测正成为必要方向，因为没有单一生物标志物能充分描述伤口进展。水凝胶基多模态平台特别有吸引力，因为单一基质可支持多个传感通道同时保持软组织相容性。代表性系统包括无线、可编程、可再填充水凝胶生物电子学用于糖尿病伤口；集成温度监测、蓝牙通信和响应性抗生素释放的智能微针贴片；以及能够多重传感和按需释放的微针阵列。主要困难在于不同传感模式对力学、导电性、渗透性、防污行为和信号隔离施加冲突要求。未来需更好的材料以及更成熟的器件架构和数据融合策略。
5.2 水凝胶赋能治疗递送和干预
水凝胶赋能治疗系统通过将局部信号响应性与可控释放、电刺激或自供电驱动耦合，将伤口生物电子学扩展到诊断之外。其临床相关性在于空间局部治疗、减少全身暴露以及根据伤口异质性和时间演化调整治疗的潜力。关键挑战在于释放曲线能否匹配伤口阶段、病理触发器和安全剂量范围。未来应使用剂量-响应关系、重复触发可靠性、脱靶释放和真实伤口渗出液兼容性进行评估。
5.2.1 微环境响应药物递送
微环境响应水凝胶使用内源伤口线索如pH、ROS、酶、葡萄糖或炎症因子触发或加速治疗释放。此设计将治疗逻辑嵌入材料中。代表性研究包括MMP-9响应水凝胶释放M2巨噬细胞外泌体；具有多响应和ROS清除功能的智能导电水凝胶结合电刺激改善感染控制和炎症调节；多功能水凝胶微针贴片靶向糖尿病伤口的氧化应激-炎症-衰老轴；纳米颗粒负载水凝胶敷料和明胶甲基丙烯酰基微针维持抗氧化、抗菌和促愈合效果。局限在于“更多触发”不自动意味着“更好治疗”，响应网络可能变得结构不稳定，触发重叠降低选择性，复杂配方难以重现制造。
5.2.2 外部触发的按需药物释放
外部触发系统通过光、热、超声、磁场或电来启动或调节释放。电和自供电驱动因其与可穿戴生物电子学内在兼容而特别有吸引力。代表性研究包括柔性有机光伏供电水凝胶敷料在光照射下产生仿生电刺激并加速感染糖尿病伤口愈合；基于摩擦纳米发电机的自供电电刺激结合光热治疗的水凝胶贴片；感染相关热信号用于指导光热抗菌治疗。与内源响应相比，外部触发释放提供更好的时间可控性，但也引入工程挑战，包括触发均匀性、组织安全性、剂量精度和可穿戴电源管理。
5.2.3 传感器耦合和反馈调节治疗
最先进的水凝胶治疗架构不再分离诊断和干预，而是将传感、信号传输和治疗驱动组合到单一平台中，接近闭环伤口管理。代表性示例包括集成水凝胶电极、可编程电子和可再填充药物储库的伤口平台；具有温度传感、无线通信和感染触发抗生素释放的微针贴片；以及能够稳健葡萄糖监测和电化学触发胰岛素释放的集成微针阵列。转化障碍包括信号可靠性、无线稳定性、治疗精度、患者安全和长期材料鲁棒性。
5.3 基于水凝胶的表皮和皮肤接口生物电子学
本节聚焦于直接支持伤口护理的表皮和皮肤接口水凝胶格式。水凝胶基表皮和皮肤接口生物电子学应作为长期穿戴接口架构评估，而非仅作为软电极或粘附贴片。其性能取决于共形接触、透气性、阻抗、机械疲劳抗性和皮肤耐受性的耦合稳定性。超薄、透气、低阻抗水凝胶界面特别有前景，但其实际效用仍需要标准化评估脱水、汗液或渗出液干扰、粘附保持和无痛移除。
5.3.1 水凝胶电子皮肤平台
当水凝胶电子皮肤平台解决伤口接口问题（如共形接触、透气覆盖、多模态传感或集成治疗）时，它们与本综述相关。代表性超薄和网络增强水凝胶电子皮肤展示透气性、柔软性和低阻抗如何支持长期皮肤耦合。对于伤口护理，关键测试是这些设计在渗出液、炎症、敷料更换和患者运动下是否保持稳定。
5.3.2 共形低阻抗生物接口
水凝胶生物接口的关键优势是低阻抗共形接触。在伤口管理中，这很重要，因为间隙、刚度失配和干燥会迅速将传感器或刺激器变成嘈杂或不舒适的器件。
5.3.3 用于连续伤口护理的软可穿戴格式
软可穿戴格式决定伤口生物电子平台能否在现实环境中实际连续佩戴。厚度、拉伸性、水蒸气渗透性、界面稳定性和用户舒适度不是次要工程细节，而是长期伤口管理的使能条件。当前方向明确朝向超薄、高度共形、可转移且运动自适应的架构，包括透气水凝胶膜、纳米膜表皮电极、可拉伸水凝胶传感器阵列和结合监测与干预的伤口导向微针格式。
5.4 智能和闭环伤口管理
随着水凝胶伤口生物电子学变得更加集成，关键挑战从个体器件性能转向系统级治疗可靠性。闭环操作需要完整可靠的链：伤口相关信号需以足够稳定性获取，通过验证且有临床意义的算法解释，转化为适当的治疗决策，通过可控驱动模块递送，并通过伤口状态变化进一步验证。智能伤口管理应评估传感鲁棒性、算法可解释性、驱动安全性、剂量可控性、数据安全和临床验证。
5.4.1 AI辅助伤口评估和解释
AI最直接的贡献在于改善复杂伤口相关信号的解释。机器学习不替代传感，而是作为分析层，将光学、电化学、机械、热或阻抗输出转换为临床相关信息。AI辅助分析可通过识别多变量模式而非过度解释单一信号来改善伤口评估。然而，AI辅助解释也引入新风险：在有限数据集上训练的模型可能在实验室演示中表现良好，但在患者多变的临床场景中失败。模型性能应通过分类准确性以及对抗传感器漂移、缺失数据、伤口异质性和患者间变异性的鲁棒性来评估。
5.4.2 AI辅助水凝胶和器件设计
AI也开始在上游设计阶段影响水凝胶可穿戴生物电子学。数据驱动优化、预测建模和逆向设计策略可能有助于减少水凝胶配方、交联化学、导电网络构建、粘附界面设计和刺激-响应编程中的试错。最有价值的AI辅助设计角色不是搜索最高电导率、拉伸性、粘附强度或载药能力，而是识别水合稳定性、粘附耐久性、电荷传输、机械柔顺性、治疗释放和生物安全性可同时维持的平衡设计窗口。
5.4.3 朝向临床监督的闭环伤口护理
AI和无线集成的更广泛意义在于连接传感、解释、通信和干预于临床监督的治疗工作流中。从多功能器件到临床有用闭环系统的过渡需要更高水平证据。闭环伤口平台必须证明其传感输出可靠、决策逻辑可解释、驱动可控且治疗响应比传统护理更安全或更有效。发展可理解为几个阶段：仅传感监测、传感辅助预警、传感引导干预、反馈调节治疗、临床监督闭环护理。大多数当前水凝胶伤口生物电子学仍处于前三个阶段之间。
6. 挑战、标准化和前景
水凝胶赋能可穿戴生物电子学从实验室原型到实际伤口护理系统的转化仍具挑战性。长期界面稳定性是主要转化障碍。伤口面向水凝胶经历空气暴露、温度变化、渗出液、离子、酶、细菌和重复变形。主要失效路径是水合驱动的界面不稳定性：脱水提高阻抗，溶胀改变几何和释放，运动打开间隙，污染削弱粘附和信号质量。多功能性必须与安全性平衡。导电聚合物、金属离子、纳米颗粒、抗菌剂、光热材料、粘附基序和响应性药物载体可能增加细胞毒性、炎症、致敏、降解产物风险或剂量不确定性。制造是另一个范围过滤器：伤口器件必须承受灭菌、存储、包装、运输、处理、无线操作、防水、透气性和移除。可扩展路线如可印刷墨水、丝网印刷、模块化电子和一次性贴片格式可能更具临床现实性。标准化评估应聚焦伤口相关操作条件：材料应在脱水、溶胀、循环、灭菌和存储后测试；接口应在湿性、动态和生物流体丰富条件下测试；系统应报告无线稳定性、功耗、数据丢失、剂量准确性、算法鲁棒性和临床意义终点。未来发展应分阶段：首先是具有稳定水合、粘附、阻抗、溶胀和生物安全性的可靠接口；其次是具有鲁棒传感、可控驱动、无线通信和可扩展制造的更简单器件集成；第三是临床监督闭环护理，其中传感器输出、算法、治疗决策和结果共同验证。总体而言，该领域应从关于水凝胶可穿戴设备的广泛声明转向对自适应伤口护理的更窄证据。水凝胶最有价值时是作为连接组织状态、电子读出和局部治疗的稳定伤口面向接口。其未来影响
