综述：水凝胶-纳米材料集成可穿戴生物传感器用于实时生物医学监测：材料、器件与物联网连接系统

《Journal of Sensor and Actuator Networks》：Hydrogel-and-Nanomaterial-Integrated Wearable Biosensors for Real-Time Biomedical Monitoring: Materials, Devices, and IoT-Connected Systems

　　

水凝胶（Hydrogel）与纳米材料（Nanomaterial）集成的可穿戴生物传感器网络（wearable biosensor networks）是实现实时生物医学监测的有前景平台，因为它们结合了柔软的生物界面、灵敏的信号转导和无线数据连接。水凝胶提供类组织柔软性、水合性、粘附性、渗透性和生物相容性，而石墨烯、碳纳米管、MXenes、金属纳米颗粒和导电聚合物等纳米材料可增强导电性、电化学活性、光学响应性、机械耐久性和信号放大能力。本综述总结了水凝胶与纳米材料集成可穿戴生物传感器的最新进展，涵盖从软材料界面和独立传感设备到无线可穿戴节点、物联网（Internet of Things, IoT）连接平台以及新兴的闭环传感器-执行器（closed-loop sensor–actuator）系统。由于这些平台在集成度和验证水平上存在显著差异，本综述将使能材料与设备概念同完全连接或闭环系统区分开来。本综述的独特贡献在于建立了一个从材料到系统、证据分级的框架，将水凝胶和纳米材料界面设计与传感机制、可穿戴传感器节点集成、无线和IoT连接以及闭环驱动联系起来，同时区分设备级概念验证与临床验证性能。研究人员讨论了功能性水凝胶设计、基于纳米材料的导电网络、水凝胶-纳米材料杂化结构，以及皮肤相容性、粘附性、可拉伸性和长期稳定性的关键要求。综述了主要传感机制和生物医学目标，包括电化学（electrochemical）和光学（optical）生物传感、机械和生理信号传感，以及汗液生物标志物监测。研究人员进一步强调了涉及可穿戴传感器节点、无线通信、智能手机和云连接、数据处理、电源管理、安全性和可靠性的系统级集成策略。总结了代表性生物医学应用，包括基于汗液的代谢监测、智能伤口监测、水凝胶伤口敷料、心血管和呼吸监测以及运动传感。最后，讨论了当前的技术和转化挑战，重点强调分析传感性能、生理相关性和临床验证之间的区别。疾病管理和闭环医疗应用被认为是新兴方向，在临床实施前需要进行适当的人体研究、参考方法比较、一致性分析、长期监测和安全性验证。

**1. 引言**

医疗模式正从偶发式、以医院为中心的诊断向连续性、预防性和个性化健康管理转变。可穿戴生物传感器能够在非侵入或微创条件下持续采集汗液、间质液等生物流体中的生化信息以及运动、心电（ECG）等生理信号。本综述采用从材料到系统的证据分级框架，明确区分了无线节点、智能手机连接与真正的物联网（IoT）连接：仅通过蓝牙、Wi-Fi或NFC传输至智能手机不算IoT连接，只有上传至云/服务器基础设施并实现网络级数据管理才归为IoT平台。

**2. 水凝胶与纳米材料集成可穿戴生物传感器的设计**

**2.1 用于皮肤界面生物传感的功能性水凝胶**：导电水凝胶通过离子或电子网络实现信号转导；粘附水凝胶减少运动伪影；自愈合水凝胶通过氢键、离子配位等可逆相互作用恢复机械完整性；有机水凝胶利用甘油等二元溶剂提升防干和抗冻性能。例如PHEAA-GE-Gl-LiCl有机水凝胶拉伸率约970%，PHEAA-卡拉胶物理交联水凝胶拉伸率约1145%、透明度约92%。

**2.2 用于信号增强和导电网络的纳米材料**：碳基纳米材料（碳黑、碳纳米管、石墨烯）可增大电活性面积并促进电子转移，碳黑基汗液葡萄糖传感器检测限达4.83 μM；金属纳米颗粒如AuNPs提升催化活性；MXene（如Ti₃C₂T_x）具有金属级导电性和亲水表面，Pt/MXene及Ti₃C₂T_x/PANI尼龙织物电极已用于连续无创汗液葡萄糖监测。

**2.3 水凝胶–纳米材料杂化结构**：表面层压结构（石墨烯/水凝胶，应变系数约2.4）将水凝胶作为柔软保水基底；嵌入式纳米填料网络（GN-CNF@PVA，拉伸率约1000%）依靠纤维素纳米纤维辅助分散；混合维度MXene–水凝胶异质结构实现约2800%的超宽工作范围。

**2.4 关键设计要求：生物相容性、粘附性、可拉伸性和长期稳定性**：生物相容性需结合体外细胞毒性与体内植入评估；粘附强度如贻贝启发水凝胶可达约85 kPa；可拉伸性需满足关节处大变形；长期稳定性要求防干、抗冻并抑制信号漂移，防干电容传感器可在常规环境下稳定运行45天以上。

**3. 传感机制与生物医学目标**

**3.1 电化学和光学生物传感机制**：安培型酶促传感（葡萄糖氧化酶/普鲁士蓝）是汗液检测的主流；扩散限制膜可将乳酸线性范围拓宽至1–50 mM并降低pH、温度和流速干扰；自供能生物燃料电池型乳酸传感器兼具产电与传感功能。光学比色和光子水凝胶阵列（胆固醇液晶-互穿网络水凝胶）可实现葡萄糖、尿素和乳酸的无仪器可视化检测。

**3.2 机械和生理信号传感**：导电水凝胶应变传感器通过电阻变化监测关节运动与脉搏；压力传感器灵敏度可达460.1 kPa^-1；聚吡咯增强的超软水凝胶电极在ECG、EMG记录中信噪比