基于导电水凝胶的可穿戴温度传感器研究进展综述

本文由Fan Mo、Pengcheng Zhou、Shihong Lin、Junwen Zhong*和Yan Wang*合作完成，作者团队来自广东以色列理工学院（Guangdong Technion-Israel Institute of Technology）化学工程系和以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology），部分作者同时隶属于澳门大学机电工程系。该综述发表于Advanced Healthcare Materials期刊2024年第13卷，是一篇开放获取文章，遵循知识共享许可协议（CC BY）。

研究背景与主题

随着医疗健康监测需求的增长，可穿戴传感器因其无创/微创采集生理信号的能力成为研究热点。温度作为哺乳动物关键的生理指标，反映了生理过程、化学动力学及整体健康状态的动态交互。传统刚性温度传感器存在舒适性差、适应性不足等问题，而导电水凝胶（conductive hydrogel）因其优异的柔性、生物相容性、可调控的导电性和类细胞外基质的物理化学特性，成为可穿戴温度传感器的理想材料。本文系统综述了基于导电水凝胶的可穿戴温度传感器的材料设计、传感特性和应用场景，并探讨了该领域面临的挑战与未来发展方向。

主要观点与论据

1. 导电水凝胶的材料分类与特性

导电水凝胶根据填充材料可分为五类：
- 导电聚合物基水凝胶（CPs-based）：如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）等，通过π电子离域提供导电性。例如，Shi等开发的PNIPAM/CPs水凝胶在0.8 S/m的导电性下表现出快速热响应特性（图2a-b）。
- 碳纳米材料基水凝胶（Carbon-based）：如碳纳米管（CNTs）、石墨烯等，通过高比表面积和机械增强作用提升性能。Gu等利用PVA/Gly/CB/CNTs复合水凝胶实现了−0.935%°C⁻¹的温度系数（TCR）（图3a-c）。
- 金属基水凝胶（Metal-based）：如银纳米线（AgNWs）、液态金属（LM）等。Zhou等开发的LM-SA-PAA水凝胶在0–60°C范围内动态稳定性优异（图4a-c）。
- 离子导电水凝胶（Ion-based）：通过引入KCl、Fe³⁺等离子实现导电。Wu等设计的PAM/卡拉胶/KCl水凝胶在25–70°C内电阻变化稳定（图5a-b）。
- 混合材料水凝胶（Hybrid）：结合多种填料的协同效应。例如，An等开发的MWCNTs/PAM/Fe³⁺-PAA水凝胶通过疏水相互作用和离子网络提升了热敏感性（图6a-b）。

支持数据：表1总结了各类水凝胶的灵敏度（如PBA/CPA/Gly达2.01%°C⁻¹）和导电性（如PDA-RGO/SA/PAM达1.939 S/m）。

2. 传感性能的关键指标

• 灵敏度（Sensitivity）：以TCR衡量，MXene/淀粉复合水凝胶在−20–100°C区间灵敏度达3244%°C⁻¹（图7b）。
  
• 动态稳定性（Dynamic Stability）：如Shen等的APBA-CNTs水凝胶在20分钟循环测试中电阻变化稳定（图7c）。
  
• 拉伸性（Stretchability）：Jiang开发的离子凝胶在100%应变下仍保持温度响应一致性（图7e）。
  
• 信号输出模式：包括电阻型（主流）、电容型（如TFSS传感器灵敏度24.54%°C⁻¹，图8d-e）和热致变色型（如Chen等的核心-壳纤维，图8f-i）。
  

3. 应用场景

• 体温监测：Ge等的PPBN水凝胶通过电流变化（49.4→60 μA）实时反映“模拟发热”（图9a-c）。
  
• 伤口温度监测：Zhou等的AgNWs-PNIPAM水凝胶集成无线模块，连续14天追踪小鼠伤口温度变化（图10a-b）。
  
• 疾病管理：如心血管和呼吸系统疾病的多元指标监测，Guo等的两性离子皮肤传感器可同步检测温度、应变和葡萄糖（图10e-f）。
  

挑战与展望

当前领域面临四大挑战：
1. 系统集成：需解决传感器与无线传输模块的兼容性问题。
2. 长期稳定性：水凝胶易脱水，需优化抗干燥策略（如LiBr添加）。
3. 自供能技术：开发摩擦电或光伏集成方案。
4. 商业化瓶颈：平衡成本与性能，推动规模化生产。

研究价值与亮点

• 科学价值：首次全面梳理导电水凝胶温度传感器的材料-性能-应用关系，填补了该领域综述空白。
  
• 应用价值：为个性化医疗、远程健康监测提供材料基础。
  
• 创新点：
  
  • 提出混合填料协同增强策略（如LM/RGO提升机械与导电性）。
    
  • 开发多信号输出模式（电容、热致变色），拓展应用场景。
    

本文通过系统分析，为未来可穿戴温度传感器的设计提供了理论指导和技术路线，尤其在精准医疗和智能健康领域具有重要实践意义。