研究背景
如今，健康问题日渐突出。各种慢性病已经成为威胁公众健康的首要因素，同时，也呈现出年轻化的趋势。在健康问题日益严重的情况下，有必要及时全面地了解自己的身体状况。然而，传统的健康监测方法通常依赖于庞大的设备和专业的医疗人员，导致监测不方便，成本高。可穿戴健康监测技术的出现，很好地解决了这些问题。可穿戴监测系统可以实时记录用户的身体信息，评估用户的健康水平，并通过数据分析提供个性化的医疗建议，在医疗、疾病预防和控制方面具有重要意义。在整个健康监测过程中，信号的记录和转换非常重要，它决定了用户获得的信息是否可靠。因此，如何制备性能可靠的传感器是研究人员非常关注的话题。
目前，智能手表和智能眼镜等商用可穿戴健康监测设备的内部传感器是采用基于刚性基材的半导体工艺制造的，导致其难以适应人体表面，佩戴舒适度低。它们收集的健康信息有限，如体温、脉搏和血氧，使得它们难以适应日益多样化和个性化的医疗保健场景。此外这些刚性的传感器和人体皮肤表面之间存在着很大的杨氏模量差距。当一个人做大动作时刚性传感器往往会从身体表面脱离，这可能导致不准确的数据记录。因此，开发一个完全灵活和可拉伸的传感器对于构建一个可穿戴健康监测系统至关重要。
研究成果
不断增长的健康意识引发了公众对健康问题的关注。人们希望及时、全面地了解自己的状况而不需要经常去医院做昂贵、繁琐的一般检查。可穿戴技术通过跟踪一个人的生理数据并在本地或远程进行分析，为健康监测提供了一种连续的测量方法。在健康监测过程中，不同种类的传感器将生理信号转换为可以记录和传输的电信号或光信号，因此在可穿戴技术中发挥了关键作用。可穿戴的应用场景通常要求传感器拥有出色的灵活性和可拉伸性。因此，设计具有可靠性能的灵活和可拉伸的传感器是可穿戴技术的关键。智能复合水凝胶，具有可调整的电性能、机械性能、生物相容性和多刺激敏感性，是可穿戴健康监测的最佳敏感材料之一。本综述总结了智能复合水凝胶的常见合成和性能优化策略并重点介绍了目前智能复合水凝胶在可穿戴健康监测领域的应用。相关报道以“Engineering Smart Composite Hydrogels for Wearable Health Monitoring”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。
综述要点
1. 总结了智能复合水凝胶的常见性能优化策略。
2. 从健康监测方面系统地讨论了基于智能复合水凝胶的可穿戴传感器的最新先进进展。
3. 介绍了基于智能复合水凝胶的可穿戴传感器的当前挑战和未来前景。
图文导读
Fig. 1 Engineering smart composite hydrogels for wearable health monitoring.
Fig. 2 Synthesis mechanisms of hydrogel.
Fig. 3 Mechanisms of regulating mechanical properties of hydrogels.
Fig. 4 The main approach to produce conductive hydrogels and classification of hydrogels based on different principles.
Fig. 5 a Representative covalent/non-covalent linkages formed between self-adhesive hydrogel and substrate. b Achieving self-adhesion by introducing covalent or non-covalent bonds. c Self-adhesive hydrogel inspired by nature.
Fig. 6 Summary of self-healing mechanisms.
总结与展望
在这篇综述中，作者首先概述了复合水凝胶的常见合成机制，包括物理交联聚合、化学交联聚合和化学-物理混合交联聚合。然后，提出了水凝胶工程的概念，并进一步介绍了改善复合水凝胶性能的策略。此外，从健康监测方面总结了基于智能复合水凝胶的可穿戴传感器的最新进展(图 1)。最后一部分是对整个文章的回顾，并对基于智能复合水凝胶的传感器的未来发展进行了展望。
通过调整水凝胶的内部成分或通过水凝胶工程构建独特的水凝胶结构，可以获得具有多种性能的智能复合水凝胶，如增强的机械性能、导电性、自愈性、刺激反应性和自粘性。智能复合水凝胶具有优良的物理化学性能，在可穿戴传感领域有很大的潜力。基于智能复合水凝胶的可穿戴健康监测设备已被广泛应用于生理状态监测、伤口监测和疾病诊断等医疗场景。其中，生理状态监测主要关注用户的生理活动。它旨在通过记录各种生理指标来评估用户的健康状况，这对健康管理、疾病预防和疾病控制具有重要意义。此外，由于具有良好的生物相容性、抗菌性和促进伤口愈合的能力，用复合水凝胶制备的智能敷料不仅可以实时监测伤口愈合，还可以预防感染和促进伤口愈合。此外，疾病诊断也是可穿戴健康监测的一个重要组成部分。基于智能复合水凝胶的可穿戴式传感器已被证明可以监测和诊断疾病如癌症、肥足、帕金森症和阻塞性睡眠呼吸暂停综合症。智能复合水凝胶，作为最有潜力的柔性电子材料之一，正在扩大可能的极限。
虽然基于智能复合水凝胶的传感器有很多优点，但在现阶段仍有不足之处。这些缺陷限制了复合水凝胶在可穿戴健康监测方面的实际应用，甚至成为复合水凝胶基传感器产业化的障碍。在可穿戴式健康监测应用中，我们经常关注可穿戴式传感器的长期性能稳定性，即在各种复杂的环境中长时间连续工作而不出现明显的性能下降。水的蒸发和凝结以及金属电极的腐蚀是影响水凝胶基传感器长期性能稳定性的基本因素。
其中，改善复合水凝胶的防冻和保湿性能是巫待解决的问题之一。传统的水凝胶材料含有大量的水。这些自由水在高温干燥环境下会蒸发，在低温环境下会凝结。水凝胶材料内部的溶剂不稳定，不仅会严重损害传感器的机械性能，还会影响传感器的性能稳定性。
除了防冻剂和湿气的问题外，电极腐蚀也会影响传感器的性能。由于长期应用电压，特别是电极上的直流电压，传感器电极的表面容易发生腐蚀和反应产物的积累，从而严重降低传感器的性能稳定性和使用寿命。特别是当基于水凝胶的复合传感器用于监测生物标志物，如汗液中的分泌物或组织和器官中的酶和受体时，由于电化学副反应，电极往往被严重腐蚀。电极腐蚀造成的传感器性能下降使得基于水凝胶的智能复合传感器难以适应可穿戴健康监测系统长期不间断运行的要求。预计将制定有效的策略来提高电极和水凝胶电极界面的长期稳定性。
此外，空气渗透性不足也是基于水凝胶的传感器的一个重要问题。尽管复合水凝胶经过水凝胶工程的调节后可以具有生物相容性，但其长期粘附在皮肤表面会阻止“皮肤呼吸”，导致炎症。开发具有超低厚度的水凝胶膜或多孔水凝胶可能是解决这一问题的方法。
当复合水凝胶传感器附着在身体表面时，由于碰撞、划伤或佩戴者的不经意的动作，往往会产生额外的应变信号，进而干扰传感器的响应信号。准备应变不敏感的传感器，或者将传感器的有效应变信号与干扰信号解耦，是构建高精度和抗干扰的可穿戴健康监测系统的关键。此外，复合水凝胶的多刺激响应性常常导致不必要的噪音或多个刺激之间的耦合。基于机器学习 (ML)的数据处理方法可以有效地处理传感器产生的大量数据，发现数据中错综复杂的隐藏关系。通过输入大量数据训练的 ML 模型以有效地减少噪音或解多个刺激信号。
此外，以前报道的基于智能复合水凝胶的传感器大多体积较大。由于缺乏高精度和标准化的加工技术，制造的传感器的性能一致性不能得到保证，而且大量生产也很有挑战性。因此开发高度精确和标准化的制备方法对于智能复合水凝胶基传感器的商业化具有重要意义。复合水凝胶传感器的标准化制备确保了设备性能的可靠性和一致性。器件的小型化意味着传感器的体积更小，重量更轻，功耗更低。此外，集成技术可以整合不同的传感器或执行器，形成微传感器阵列或微执行器阵列，从而构建一个具有实时监测、数据传输、及时给药和治疗等多种功能模块的可穿戴医疗微系统。
尽管在应用基于智能复合水凝胶的传感器方面仍有许多局限性但随着全球研究团队的不断探索，上述问题可能很快就会得到解决。届时，基于智能复合水凝胶的传感器的更多应用场景将被解锁
文献链接
Engineering Smart Composite Hydrogels for Wearable Health Monitoring
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01079-5.
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