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天科大司傳領(lǐng)/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(jī)制

2025-02-25 來(lái)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(yīng)性和變形能力，已被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、食品安全、智能系統(tǒng)和人機(jī)交互等領(lǐng)域。纖維素基水凝膠具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)、可再生性、易加工性、可生物降解性、和良好的機(jī)械性能，是柔性傳感器的理想材料。

天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)教授、徐婷教授團(tuán)隊(duì)和廣西林業(yè)科學(xué)研究院王軍鋒研究員等對(duì)纖維素基水凝膠在構(gòu)建柔性傳感器應(yīng)用進(jìn)行了分析及研究，重點(diǎn)總結(jié)了纖維素基水凝膠傳感器的研究和開(kāi)發(fā)，包括物理傳感、化學(xué)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(lái)發(fā)展方向。該工作在著名學(xué)術(shù)期刊SusMat（SCI中科院一區(qū)，實(shí)時(shí)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(xué)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(jìn)展

近年來(lái)，纖維素基水凝膠傳感器經(jīng)歷了重大演變，特別是在其應(yīng)用和制造設(shè)計(jì)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(yīng)用，多側(cè)重于生物分子的檢測(cè)。之后，研究人員越來(lái)越多地將注意力轉(zhuǎn)向壓力和應(yīng)變傳感器尤其是靈活且適用于可穿戴設(shè)備的傳感器。2020年后，在可穿戴電子設(shè)備發(fā)展的推動(dòng)下，可集成到健康監(jiān)測(cè)和健身追蹤等應(yīng)用的可穿戴設(shè)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(yùn)動(dòng)的順應(yīng)性方面具有優(yōu)勢(shì)。

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(luò)制備的水凝膠的力學(xué)性能。

2.纖維素基水凝膠的制備

纖維素基水凝膠的形成機(jī)制可分為物理交聯(lián)和化學(xué)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(guò)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(jià)作用力）重新排列和連接。化學(xué)交聯(lián)（包括自由基聚合、環(huán)氧化物交聯(lián)和希夫堿反應(yīng)）是指在不同聚合物鏈之間形成化學(xué)鍵，從而形成相互連接的分子網(wǎng)絡(luò)。

圖3. (A) MPDA@PCNC/CNFs 復(fù)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(guò)程。

3.纖維素基水凝膠在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

纖維素基水凝膠可以根據(jù)壓力、溫度、濕度、pH 值、電場(chǎng)或磁場(chǎng)、還原或氧化條件、光和酶等環(huán)境刺激，通過(guò)改變物理或化學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同程度的響應(yīng)，因此受到越來(lái)越多的關(guān)注。文章概述了用于傳感的纖維素基水凝膠的研究進(jìn)展，主要圍繞三個(gè)主要方面展開(kāi)：物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。物理傳感器利用電阻傳感（測(cè)量壓力、應(yīng)變和溫度）、電容傳感（測(cè)量壓力、位移和觸摸）、光學(xué)傳感（檢測(cè)光的透射、反射或折射變化）和熱分析（檢測(cè)熱膨脹和熱傳導(dǎo)）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的精確測(cè)量。化學(xué)傳感器利用熒光傳感（環(huán)境監(jiān)測(cè)和毒性測(cè)試）、比色傳感（化學(xué)成分分析）、伏安法（電化學(xué)分析）和光譜傳感（成分分析），以不同方式檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的存在和濃度。生物傳感器利用酶?jìng)鞲校ㄑ呛腿樗釞z測(cè)）、免疫傳感（疾病檢測(cè)和生物標(biāo)記監(jiān)測(cè)）和 DNA 傳感（基因檢測(cè)和病原體檢測(cè)），以特定生物分子為目標(biāo)。

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(cè)和去除Hg²⁺的制備示意圖。(D) MXene@Au雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備。

圖5. (A) 新型電化學(xué)傳感器的制造過(guò)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(yīng)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(jià)有機(jī)骨架的合成過(guò)程示意圖。

4.研究思考及展望

物理和化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的纖維素基水凝膠為傳感器的應(yīng)用提供了廣闊的前景。物理交聯(lián)可通過(guò)非共價(jià)鍵穩(wěn)定水凝膠，從而提高傳感器的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。化學(xué)交聯(lián)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的選擇性檢測(cè)，擴(kuò)大了傳感器的多功能性。未來(lái)研究的重點(diǎn)可能是優(yōu)化物理交聯(lián)條件，改進(jìn)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(duì)溫度和濕度等參數(shù)的靈敏度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)于化學(xué)傳感器和生物傳感器，研究人員可以重點(diǎn)開(kāi)發(fā)新的化學(xué)交聯(lián)劑。系列創(chuàng)新旨在提高纖維素基水凝膠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)特定化學(xué)物質(zhì)的能力，從而滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全和其他領(lǐng)域的需求。未來(lái)，纖維素基水凝膠有望在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用方面取得更加令人矚目的突破。

作者簡(jiǎn)介：

徐婷，天津科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，入選國(guó)家高層次青年人才，中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程（中科協(xié)資助）入選者，中國(guó)未來(lái)女科學(xué)家計(jì)劃候選人。2020年于北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲得博士學(xué)位，同年入職天津科技大學(xué)。任《eScience》《Innovation》《Advanced Fiber Materials》等SCI一區(qū)期刊及《中國(guó)造紙》《中國(guó)造紙學(xué)報(bào)》《林業(yè)工程學(xué)報(bào)》等中文核心期刊（青年）編委。研究方向包括紙基先進(jìn)功能材料、纖維素納米材料的可持續(xù)制備及先進(jìn)納米生物質(zhì)復(fù)合材料等。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃任務(wù)、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項(xiàng)目、天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、企業(yè)橫向項(xiàng)目等10余項(xiàng)。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(xué)術(shù)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(qǐng)/獲授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)（授權(quán)國(guó)際專利4項(xiàng)），制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。入選美國(guó)斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家”，先后獲國(guó)家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、美國(guó)工程化科學(xué)協(xié)會(huì)青年研究員獎(jiǎng)等。

王軍鋒，廣西林科院木材工業(yè)研究所所長(zhǎng)、研究員，第十七屆廣西青年科技獎(jiǎng)獲得者，入選廣西八桂青年拔尖人才培養(yǎng)項(xiàng)目（第一批）。2019年獲南京林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位。任《林業(yè)科學(xué)》《木材科學(xué)與技術(shù)》等期刊青年編委，主要研究方向?yàn)槟举|(zhì)復(fù)合材料與制品。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃任務(wù)、廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等30余項(xiàng)，發(fā)表論文50余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)，主持研究成果獲2022年度廣西科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

司傳領(lǐng)，天津科技大學(xué)教授、博導(dǎo)、科技處副處長(zhǎng)、全國(guó)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(xué)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(wàn)次，個(gè)人H因子76），授權(quán)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利50余項(xiàng)。入選國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、國(guó)家林草局科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、天津市有突出貢獻(xiàn)專家、天津市特聘教授、天津市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等人才計(jì)劃等。入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”榜單、ScholarGPS全球前0.05%頂尖科學(xué)家榜單、美國(guó)斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家”終身科學(xué)影響力和年度科學(xué)影響力榜單、Bentham Ambassador等。先后主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部、人社部、天津市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、企業(yè)委托課題，研究成果獲教育部霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師獎(jiǎng)、國(guó)家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)輕工聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)等。

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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