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天科大司傳領/徐婷、廣西林科院王軍鋒 SusMat 主封面論文：纖維素基水凝膠在柔性傳感器中的調(diào)控與作用機制
2025-02-25  來源：高分子科技

  隨著工業(yè)化和智能化的發(fā)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(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、食品安全、智能系統(tǒng)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。


  天津科技大學司傳領教授、徐婷教授團隊和廣西林業(yè)科學研究院王軍鋒研究員等對纖維素基水凝膠在構建柔性傳感器應用進行了分析及研究，重點總結了纖維素基水凝膠傳感器的研究和開發(fā)，包括物理傳感、化學傳感和生物傳感。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(zhàn)和未來發(fā)展方向。該工作在著名學術期刊SusMat（SCI中科院一區(qū)，實時影響因子IF>21.2）2025年首期（第5卷第1期）上以題為“Modulation and mechanisms of cellulose-based hydrogels for flexible sensors”發(fā)表（DOI: 10.1002/sus2.255），并被遴選為該期主封面論文（Front Cover），第一作者為天津科技大學博士研究生張萌。


圖1. 論文被遴選為《SusMat》期刊主封面（Front Cover ）文章。


1.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(jīng)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(cè)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(zhuǎn)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(fā)展的推動下，可集成到健康監(jiān)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(yōu)勢。


圖2. 纖維素基水凝膠的重要發(fā)展以及不同交聯(lián)網(wǎng)絡制備的水凝膠的力學性能。


2.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(lián)和化學交聯(lián)。物理交聯(lián)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(lián)（包括自由基聚合、環(huán)氧化物交聯(lián)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(wǎng)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(chǎn) BHH和BHA的自組裝過程。


3.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(jù)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(huán)境刺激，通過改變物理或化學性質(zhì)實現(xiàn)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(xiàn)對物理量的精確測量；瘜W傳感器利用熒光傳感（環(huán)境監(jiān)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(zhì)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(jiān)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(wǎng)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。


4.研究思考及展望


  物理和化學交聯(lián)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(lián)可通過非共價鍵穩(wěn)定水凝膠，從而提高傳感器的穩(wěn)定性和響應速度；瘜W交聯(lián)可實現(xiàn)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(yōu)化物理交聯(lián)條件，改進交聯(lián)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(shù)的靈敏度和長期穩(wěn)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(fā)新的化學交聯(lián)劑。系列創(chuàng)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(zhì)的能力，從而滿足環(huán)境監(jiān)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。


作者簡介：


  徐婷，天津科技大學教授、博導，入選國家高層次青年人才，中國科協(xié)青年人才托舉工程（中科協(xié)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》《Advanced Fiber Materials》等SCI一區(qū)期刊及《中國造紙》《中國造紙學報》《林業(yè)工程學報》等中文核心期刊（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(xù)制備及先進納米生物質(zhì)復合材料等。先后主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃任務、中央引導地方科技發(fā)展項目、天津市自然科學基金重點項目、企業(yè)橫向項目等10余項。以第一/通訊作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Carbon Energy、Energy Storage Materials、SusMat等學術期刊發(fā)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(fā)明專利11項（授權國際專利4項），制定行業(yè)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(yè)科技進步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎、美國工程化科學協(xié)會青年研究員獎等。



  王軍鋒，廣西林科院木材工業(yè)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(yǎng)項目（第一批）。2019年獲南京林業(yè)大學木材科學與技術專業(yè)博士學位。任《林業(yè)科學》《木材科學與技術》等期刊青年編委，主要研究方向為木質(zhì)復合材料與制品。先后主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃任務、廣西重點研發(fā)計劃項目等30余項，發(fā)表論文50余篇，授權發(fā)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。



  司傳領，天津科技大學教授、博導、科技處副處長、全國青聯(lián)委員。主要從事制漿造紙及生物質(zhì)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(fā)表論文200余篇（被引用>2萬次，個人H因子76），授權國內(nèi)外發(fā)明專利50余項。入選國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃、國家林草局科技創(chuàng)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(chuàng)新領軍人才等人才計劃等。入選科睿唯安“全球高被引科學家”榜單、ScholarGPS全球前0.05%頂尖科學家榜單、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(fā)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(fā)計劃、企業(yè)委托課題，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(yè)科技進步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎、中國輕工聯(lián)合會科技進步獎、中國產(chǎn)學研合作促進會產(chǎn)學研合作創(chuàng)新成果獎等。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sus2.255

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（責任編輯：xu）
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