隨著工業化和智能化的發展，柔性傳感器具有出色的形狀適應性和變形能力，已被應用于環境監測、醫療診斷、食品安全、智能系統和人機交互等領域。纖維素基水凝膠具有獨特的三維結構、可再生性、易加工性、可生物降解性、和良好的機械性能，是柔性傳感器的理想材料。天津科技大學徐婷、司傳領教授和廣西林科院王軍鋒研究員團隊全面綜述了纖維素基水凝膠在構建柔性傳感器應用方面的最新進展。重點分析了纖維素基水凝膠傳感器的研究和開發，包括物理傳感、化學傳感和生物傳感等。此外，還研究了傳感器中纖維素基水凝膠的局限性、主要挑戰和未來發展方向。該工作在SusMat上以題為“Modulation and mechanisms of cellulose-based hydrogels for flexible sensors”發表（DOI: 10.1002/sus2.255）。

圖1. 纖維素基水凝膠的合成方法及在傳感器中的應用。

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纖維素基水凝膠的研究進展

近年來，纖維素基水凝膠傳感器經歷了重大演變，特別是在其應用和制造設計方面。自2017年至2020年，纖維素基水凝膠傳感器主要用于生物傳感應用，多側重于生物分子的檢測。之后，研究人員越來越多地將注意力轉向壓力和應變傳感器尤其是靈活且適用于可穿戴設備的傳感器。2020年后，在可穿戴電子設備發展的推動下，可集成到健康監測和健身追蹤等應用的可穿戴設備中的傳感器的需求激增，基于柔性水凝膠的傳感器在舒適性和與人體運動的順應性方面具有優勢。

圖2. 纖維素基水凝膠的重要發展以及不同交聯網絡制備的水凝膠的力學性能。

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纖維素基水凝膠的制備

纖維素基水凝膠的形成機制可分為物理交聯和化學交聯。物理交聯采用干燥、冷凍、攪拌和超聲波等不同方法，通過分子間的相互作用（如氫鍵、范德華力、離子/靜電相互作用、疏水相互作用和其他非共價作用力）重新排列和連接。化學交聯（包括自由基聚合、環氧化物交聯和希夫堿反應）是指在不同聚合物鏈之間形成化學鍵，從而形成相互連接的分子網絡。

圖3. (A) MPDA@PCNC/CNFs 復合水凝膠示意圖。(B) 傳感器用 PVA/CNF水凝膠。(C) PVA/GEL/EG/TA@CNC-Al3+離子水凝膠。(D) 生產 BHH和BHA的自組裝過程。

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纖維素基水凝膠在傳感領域的應用

纖維素基水凝膠可以根據壓力、溫度、濕度、pH 值、電場或磁場、還原或氧化條件、光和酶等環境刺激，通過改變物理或化學性質實現不同程度的響應，因此受到越來越多的關注。文章概述了用于傳感的纖維素基水凝膠的研究進展，主要圍繞三個主要方面展開：物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。物理傳感器利用電阻傳感（測量壓力、應變和溫度）、電容傳感（測量壓力、位移和觸摸）、光學傳感（檢測光的透射、反射或折射變化）和熱分析（檢測熱膨脹和熱傳導）來實現對物理量的精確測量。化學傳感器利用熒光傳感（環境監測和毒性測試）、比色傳感（化學成分分析）、伏安法（電化學分析）和光譜傳感（成分分析），以不同方式檢測化學物質的存在和濃度。生物傳感器利用酶傳感（血糖和乳酸檢測）、免疫傳感（疾病檢測和生物標記監測）和 DNA 傳感（基因檢測和病原體檢測），以特定生物分子為目標。

圖4. (A) 添加不同金屬離子后殼聚糖水凝膠FCH-6的熒光行為比較。(B) 合成的熒光水凝膠可吸附多種重金屬。(C) 纖維素基CD/羅丹明（CCR）水凝膠片用于檢測和去除Hg2+的制備示意圖。(D) MXene@Au雙網絡水凝膠的制備。

圖5. (A) 新型電化學傳感器的制造過程示意圖。(B) 基于BC的可再膨脹水凝膠的制備及其作為汗液pH值和葡萄糖比色傳感器的潛在應用。(C) P4光敏傳感器的制作示意圖。(D) 葉酸（FA）修飾/鈀納米粒子/CMC修飾共價有機骨架的合成過程示意圖。

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研究思考及展望

物理和化學交聯結構的纖維素基水凝膠為傳感器的應用提供了廣闊的前景。物理交聯可通過非共價鍵穩定水凝膠，從而提高傳感器的穩定性和響應速度。化學交聯可實現對目標分子的選擇性檢測，擴大了傳感器的多功能性。未來研究的重點可能是優化物理交聯條件，改進交聯劑的選擇和濃度。這些工作旨在提高纖維素基水凝膠物理傳感器對溫度和濕度等參數的靈敏度和長期穩定性。對于化學傳感器和生物傳感器，研究人員可以重點開發新的化學交聯劑。系列創新旨在提高纖維素基水凝膠快速準確地檢測特定化學物質的能力，從而滿足環境監測、食品安全和其他領域的需求。未來，纖維素基水凝膠有望在基礎研究和實際應用方面取得更加令人矚目的突破。

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作者簡介

司傳領

天津科技大學

司傳領，天津科技大學教授、博導、科技處副處長、全國青聯委員。主要從事制漿造紙及生物質資源高值化利用方面的教學研究工作。以第一或通訊作者發表論文200余篇，授權發明專利40余項。入選國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、教育部新世紀優秀人才支持計劃、國家林草局科技創新領軍人才、天津市有突出貢獻專家、天津市特聘教授、天津市科技創新領軍人才等人才計劃。入選科睿唯安“全球高被引科學家”榜單、美國斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”終身科學影響力和年度科學影響力榜單、Bentham Ambassador等。先后主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金、教育部、人社部、天津市重點研發計劃、企業委托課題50余項，研究成果獲教育部霍英東教育基金會高等院校青年教師獎、國家林草局梁希林業科技進步獎、中國商業聯合會科技進步獎、中國輕工聯合會科技進步獎、中國產學研合作促進會產學研合作創新成果獎等。

徐婷

天津科技大學

徐婷，天津科技大學特聘教授，入選國家高層次青年人才，中國科協青年人才托舉工程（中科協資助）入選者，中國未來女科學家計劃候選人。2020年于北京化工大學材料科學與工程學院獲得博士學位，同年入職天津科技大學。任《eScience》、《Innovation》等SCI一區學術期刊青年編委。研究方向包括紙基先進功能材料、纖維素納米材料的可持續制備及先進納米生物質復合材料等。先后主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃任務、中央引導地方科技發展項目、企業橫向項目等10余項。以第一/通訊作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等學術期刊發表論文40余篇（其中ESI高被引論文21篇、封面論文15篇）。申請/獲授權發明專利11項（其中授權國際專利4項），制定行業標準1項。入選美國斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”，先后獲國家林草局梁希林業科技進步獎、中國商業聯合會科技進步獎、美國工程化科學協會青年研究員獎等。

王軍鋒

廣西林科院

王軍鋒，廣西林科院木材工業研究所所長、研究員，第十七屆廣西青年科技獎獲得者，入選廣西八桂青年拔尖人才培養項目（第一批）。2019年獲南京林業大學木材科學與技術專業博士學位。主要研究方向為木質復合材料的制備機理、工藝及性能調控。先后主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃任務、廣西重點研發計劃項目等20余項，以第一或通訊作者發表論文40余篇，授權發明專利10余項，主持研究成果獲2022年度廣西科技進步獎二等獎。