《Analytical Methods》：Advances in functional hydrogel materials for biosensingOpen Access
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功能水凝胶因其亲水性三维聚合物网络而正成为生物传感应用中多功能的软材料，该网络为分析物摄取和分子识别提供了可定制基质。本综述重点介绍功能水凝胶材料的最新进展，着重于这些材料中影响生物传感应用的进展。这些进展包括使用响应特定分析物存在的分子可编程聚合物网络。研究
功能水凝胶因其亲水性三维聚合物网络而正成为生物传感应用中多功能的软材料，该网络为分析物摄取和分子识别提供了可定制基质。本综述重点介绍功能水凝胶材料的最新进展，着重于这些材料中影响生物传感应用的进展。这些进展包括使用响应特定分析物存在的分子可编程聚合物网络。研究人员开发了基于水凝胶的微针，以微创方式获取组织间液(ISF)。研究人员还讨论了水凝胶与等离子体材料的结合，例如用于精确分子检测的表面增强拉曼散射(SERS)活性金属纳米结构。最后，研究人员总结讨论了水凝胶网络特性（如交联密度、溶胀比、化学组成、电荷和防污性能）作为传感/分析性能重要因素的实例。这些进展凸显了水凝胶材料在传感应用中的重要作用，以及水凝胶设计（包括聚合物网络和生物传感机制）对传感性能的重要影响。未来的进展有望结合这些进展，在真实世界应用中弥合高分析性能与稳健生物传感之间的差距。
1 引言（Introduction）
本文综述了功能水凝胶材料在生物传感中的最新进展。随着临床诊断、环境监测和食品分析等领域对快速、准确、灵敏且特异的生物分子检测需求日益增长，传统生物传感平台暴露出不可生物降解、柔韧性不足及目标物摄取能力差等局限。水凝胶是一类含有大量亲水官能团（如羟基、羧基、胺基、酰胺基、磺酸基）的聚合物材料，可通过物理、化学或多重交联形成三维网状结构，并保留大量水分。水凝胶在伤口护理、药物递送、再生医学、重金属去除、油水分离及可注射支架等领域已有广泛应用。在生物传感中，水凝胶不仅作为被动基质，还可通过分子网络调谐实现选择性识别、可控渗透性及对特定分析物的响应性。水凝胶可通过分子识别元件（如适配体、抗体、酶）、等离子体/光学纳米材料及动态交联实现传感功能，并承担靶标捕获、信号转导、生物分子稳定及反应基质等多重角色。水凝胶可按聚合物来源、交联类型、合成方法、外部刺激响应及传感机制分类，智能水凝胶(stimuli-responsive hydrogels)可通过体积变化、pH/温度敏感性等辅助目标识别。水凝胶的软柔特性、可调物理化学参数（交联密度、孔隙率、化学组成等）及抗生物污染能力，使其成为可穿戴和微创生物传感设备的理想平台。
2 功能水凝胶材料在生物传感中的当前进展（Current advances of functional hydrogel materials in biosensing）
本节概述了近期功能水凝胶材料在特定生物传感应用中的进展，包括分子可编程传感水凝胶、适配体功能化和光学/等离子体水凝胶、微针、用于连续监测的可穿戴贴片，以及可调控和定向水凝胶传感器。
2.1 分子可编程水凝胶（Molecularly programmable hydrogel）
分子可编程水凝胶生物传感器被设计为对特定分析物或刺激（如小分子、pH、酶）选择性且可控地响应。与传统pH响应型水凝胶不同，此类系统通过引入序列特异性DNA或适配体识别元件，将凝胶反应与靶标结合或杂交相关联，从而显著提高分子选择性。分子可编程水凝胶利用生物受体（如适配体、DNA、酶）构建智能交联和转导路径，这些路径具有可编程性和可逆性。可以通过改变功能化位点（作为交联剂或整合到主链）及所用生物受体来定制响应和刺激。然而，此类平台面临保质期有限、高交联剂浓度下分子扩散受限以及快速定量读出受限等挑战。优化DNA基序和适配体互补配对等生物识别元件与水凝胶结构特性（交联类型、密度、官能团及聚合物松弛过程）的匹配，对于平衡响应速度和灵敏度至关重要。
2.2 DNA水凝胶传感器（DNA hydrogel sensors）
DNA水凝胶传感器中，水凝胶同时充当支架和识别层，DNA链形成交联网络以调节力学性能并转导信号。多股DNA-聚合物偶联物的杂交可响应特定分析物、靶分子、pH、温度和酶。DNA作为交联剂和识别元件，通过靶标结合改变用于光学/荧光、电化学或力学检测的性质，从而实现对金属离子、小分子、蛋白质和核酸等目标的灵敏检测。文中举例了一种无线、无电池的DNA水凝胶传感器，用于实时检测DNase活性以监测伤口感染。其机制是：病原菌分泌DNase降解中性粒细胞胞外陷阱(NETs)中的DNA结构，而化学交联的聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE) DNA凝胶在酶作用下降解，改变叉指电极上方区域的介电常数，从而调节电容。通过近场通信(NFC)可无线读取信号，并可通过智能手机快速传输和检测。该技术实现了临床分析物潜力的实时监测，但仅能检测DNase活性，无法区分不同菌种，且目前仍限于小规模患者样本。
2.3 适配体功能化水凝胶（Aptamer-functionalized hydrogels）
适配体功能化水凝胶将水凝胶的水性三维环境与适配体的分子识别能力相结合，适用于连续生物监测。适配体是短的合成单链DNA或RNA序列，能以高亲和力和选择性结合特定分析物。将适配体整合到水凝胶中形成的“aptagel”可将被动支架转变为主动传感平台。基于适配体的传感机制通过靶标诱导的结构变化进行检测，例如改变荧光团与淬灭剂之间的距离或改变电化学报告分子的位置，也可引起水凝胶网络的收缩或折射率变化，采用表面等离子体共振(SPR)等光学转导方法检测。文中以万古霉素为例，使用星形8臂聚乙二醇(8-arm PEG)基质和精确化学工程设计的适配体交联，结合SPR实现了对窄治疗窗口抗生素的连续无标记监测，线性范围宽，检测限为160–250 nM，并在稀释大鼠血浆、未稀释马血清和稀释人血浆中验证了传感能力。该方法整合了水凝胶、选择性分子识别和光学转导的优势，但其稳定性不等同于抗生物污染，后者是长期实际应用中的独立参数。缺点是制造和优化复杂、潜在生物污染、非特异性相互作用以及紫外交联时光损伤风险。
3 用于微创检测的传感微针（Sensing microneedles for minimally invasive detection）
传统体液采样方法存在疼痛、感染风险等问题。微针能无痛微创地获取组织间液(ISF)，ISF含有与体内分析物密切相关的临床生物标志物。与实心或空心微针相比，水凝胶微针具有水合、可溶胀的三维网络，可吸收ISF，同时提供固定分子识别元件的基质。传感微针将ISF提取与针上或贴片式检测相结合，实现连续、便捷、微创监测。文中介绍了一种基于甲基丙烯酰化透明质酸(MeHA)的水凝胶微针系统，其中嵌入荧光标记的适配体探针。微针刺入皮肤后快速溶胀提取ISF，适配体与靶标结合后发生构象变化，置换淬灭链，恢复荧光信号。该系统无需额外试剂和洗涤步骤，可在约2分钟内完成离体测量，并在糖尿病动物模型中监测了低血糖、正常血糖和高血糖状态的葡萄糖变化。但间质液与血糖测量值存在差异，长期稳定性、皮肤接触完整性及校准等问题仍需解决。
4 等离子体传感水凝胶（Plasmonic sensing hydrogels）
等离子体纳米结构可通过在表面附近聚焦/放大光场来提高光学检测灵敏度。将等离子体金属纳米结构整合到水凝胶半固体提取器中，可同时利用水凝胶的溶胀收集目标和等离子体的信号放大功能。等离子体水凝胶传感器结合了水凝胶的生物相容性和刺激响应性与等离子体纳米结构的强信号放大能力。
4.1 用于病毒直接检测的SERS传感水凝胶（SERS sensing hydrogels for direct detection of viruses）
拉曼光谱基于振动模式提供分析物指纹检测，但其信号较弱，可通过表面增强拉曼散射(SERS)的等离子体效应放大信号。SERS集成水凝胶通过水凝胶网络收集分析物并利用等离子体增强实现病原体的灵敏直接检测。文中报道了一种无试剂SERS传感琼脂糖凝胶，用于直接检测感染植物中的烟草花叶病毒(TMV)。水凝胶置于轻微摩擦的叶片表面，吸取含有病毒遗传物质的组织液；嵌入的无试剂SERS纳米传感器与TMV目标DNA序列作用，触发链置换，使占位链被目标替换，探针形成发夹结构，导致拉曼报告分子Cy5的信号变化，从而区分感染与健康样品，无需复杂的样品制备。
4.2 可穿戴等离子体SERS传感水凝胶（Wearable plasmonic SERS sensing hydrogels）
可穿戴传感技术是个性化医疗的重要方向。现有电化学汗液传感器受限于单一靶标检测，因此研究者设计了可穿戴等离子体超表面传感器，用于生物界面的非侵入性通用分子指纹检测。该柔性电子器件集成了负载促汗剂的水凝胶和SERS活性银纳米立方体(Ag NC)超薄膜，并安装在透气弹性聚合物支撑上。传感器通过离子导入刺激汗腺分泌，使汗液中的分析物接近等离子体表面。银NC超晶格作为核心传感元件，利用SERS基于独特振动模式进行高灵敏特异性分子指纹识别。透射电子显微镜确认了产生强电磁热点的纳米结构。该设备在体内成功检测了汗液中的尼古丁，并可同时检测利多卡因、可卡因和甲氨蝶呤等多种药物，展示了广谱分子追踪的潜力。
5 增强传感水凝胶的材料工程（Material engineering to enhance sensing hydrogels）
在生理环境中，水凝胶需保持力学完整性并允许分析物快速扩散。优化水凝胶材料的关键因素包括溶胀比、交联类型和密度、亲水性、电荷分布及凝胶来源。近年来，
