Page 51 - 《精细化工》2023年第11期
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第 11 期                         白忠薛，等:  生物质基水凝胶的传感应用进展                                   ·2363·


            明的，相对湿度的增加会产生彩色薄膜。传感器的
            工作速度非常快，通过在几秒钟内（<3 s）增加相
            对湿度来改变其颜色，并且随着相对湿度的降低，
            传感器又很快变得透明。近期，FU 等                [77] 采用物理化
            学预处理法（即可回收酸性水溶助长剂处理和超声
            处理结合的方式），从杨树木材中提取含木质素纤
            维。将该木质素纤维用于通过在 LiBr•3H 2 O 溶液中
            的溶解再生过程生产增强聚乙烯醇水凝胶，并将该
            水凝胶涂在单模光纤端面上，制成用于监测环境湿

            度的光纤相对湿度传感器（如图 9 所示）。该湿度传                          图 10  NSD-Gel 电子皮肤的示意图：抗菌（a）、保湿（b）、
            感器在 45%~80%的湿度范围内显示出较高的灵敏                                抗冻（c）、应变感应（d）、温度感应（e）和湿度
            度以及良好的重复性。                                               感应特性（f）     [79]
                                                               Fig. 10    Schematics illustration of NSD-Gel electronic skin:
                                                                      Antibacterial (a), moisture retention (b), anti-freezing
                                                                      (c), strain sensing (d), temperature sensing (e) and
                                                                      humidity sensing (f) properties [79]

                                                                   随着人们对生物质基水凝胶温度传感器小型
                                                               化、便携化、低成本以及应用范围需求的不断增加，
                                                               基于生物质材料及其衍生物制备而成的温度传感的
                                                               应用受到了较大限制。因此，未来生物质基水凝胶

                                                               温度传感器将由模拟式向数字式，由集成化向智能
                图 9   湿度测试系统配备了自制的湿度传感器              [77]      化、网络化的方向发展。
            Fig. 9    Humidity test system equipped with self-made humidity
                   sensor [77]
                                                               3   结束语与展望
                 目前，现有的生物质基水凝胶湿度传感器一般
                                                                   随着全球化智能制造战略的实施，作为其发展
            在外部集成温度传感器进行温度补偿，水分解离和
                                                               基础要素之一的先进传感材料已成为人工智能和智
            吸附速度慢，导致传感器在湿度恒定或缓慢变化的
            环境中能高精度、高敏感性地感知目标的物理参数，                            能制造推进过程中的核心奠基技术，这与“中国制
            而在湿度快速变化的环境中显示出较差的传感效                              造 2025”十大领域中的大多数产业领域紧密相关。
            果。因此，对多环境条件适用性的高精度和高敏感                             生物质材料因其可再生性、来源丰富、可生物降解、
            性的生物质基水凝胶湿度传感器仍然具有迫切需                              良好的生物相容性等诸多优势已成为能源、材料、
            求，应大力开发与应用。                                        工业等领域的研究热点。因此，融合当前国家重点
            2.5   温度传感                                         发展的生物技术、智能制造、新材料和新工艺等高
                 温度传感是指能感受温度变化并转换成输出的                          新技术，以生物质材料为基础制备高吸水性、高强
            电信号变化。热敏生物质基水凝胶因其独特的多敏                             度、智能型的多功能水凝胶传感材料具有重要研究
            感性在健康检测领域具有广泛的应用                  [78] 。为了完全       价值和应用意义。截至目前，生物质基水凝胶已被
            模仿人类皮肤，BAI 等         [79] 通过在甘油/水二元溶剂中             开发应用于生物传感、应变传感、气体传感、湿度
            整合甜菜碱、银纳米粒子和 NaCl，纳米化设计了一                          传感和温度传感等方面。
            种透明、机械坚固、环境稳定、用途广泛的天然皮                                 基于目前研究进展，作者认为生物质基水凝胶
            肤衍生的有机水凝胶（NSD-Gel）电子皮肤（如图                          作为功能传感材料仍然具有巨大应用潜力，但在进
            10 所示）。该电子皮肤表现出优异的抗拉强度（7.33                        一步的研究中仍然会面临不少问题和挑战。
            MPa）、抗穿刺性、保湿度、自我再生和抗菌性能，                              （1）当作为植入材料应用于生物体内时，部分
            即使在极其极端的环境（–196~100℃）也能展现出                         水凝胶容易发生降解，从而导致传感性能不能长久
            理想的生物相容性和组织保护性。最近，LIU 等                     [80]   维持且极不稳定，最终影响植入应用效果。可通过
            基于 PVA、植酸（PA）和明胶（Gel）设计了一种                         结合化学改性和结构设计对其降解性进行调解，从
            具有多重氢键的水凝胶，该水凝胶具有温度触发可                             而促进其在药物缓释和组织工程等方面的应用；
            调机制，在热敷下能够可靠地黏附皮肤并检测电生                                （2）与合成高分子基水凝胶相比，单一种类生
            理信号，而在冷敷下则易于去除。                                    物质材料制备的水凝胶的可调节性较差。通过结合
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