随着工业化和智能化的发展，柔性传感器具有出色的形状适应性和变形能力，已被应用于环境监测、医疗诊断、食品安全、智能系统和人机交互等领域。纤维素基水凝胶具有独特的三维结构、可再生性、易加工性、可生物降解性、和良好的机械性能，是柔性传感器的理想材料。天津科技大学徐婷、司传领教授和广西林科院王军锋研究员团队全面综述了纤维素基水凝胶在构建柔性传感器应用方面的最新进展。重点分析了纤维素基水凝胶传感器的研究和开发，包括物理传感、化学传感和生物传感等。此外，还研究了传感器中纤维素基水凝胶的局限性、主要挑战和未来发展方向。该工作在SusMat上以题为“Modulation and mechanisms of cellulose-based hydrogels for flexible sensors”发表（DOI: 10.1002/sus2.255）。
图1. 纤维素基水凝胶的合成方法及在传感器中的应用。
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纤维素基水凝胶的研究进展
近年来，纤维素基水凝胶传感器经历了重大演变，特别是在其应用和制造设计方面。自2017年至2020年，纤维素基水凝胶传感器主要用于生物传感应用，多侧重于生物分子的检测。之后，研究人员越来越多地将注意力转向压力和应变传感器尤其是灵活且适用于可穿戴设备的传感器。2020年后，在可穿戴电子设备发展的推动下，可集成到健康监测和健身追踪等应用的可穿戴设备中的传感器的需求激增，基于柔性水凝胶的传感器在舒适性和与人体运动的顺应性方面具有优势。
图2. 纤维素基水凝胶的重要发展以及不同交联网络制备的水凝胶的力学性能。
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纤维素基水凝胶的制备
纤维素基水凝胶的形成机制可分为物理交联和化学交联。物理交联采用干燥、冷冻、搅拌和超声波等不同方法，通过分子间的相互作用（如氢键、范德华力、离子/静电相互作用、疏水相互作用和其他非共价作用力）重新排列和连接。化学交联（包括自由基聚合、环氧化物交联和希夫碱反应）是指在不同聚合物链之间形成化学键，从而形成相互连接的分子网络。
图3. (A) MPDA@PCNC/CNFs 复合水凝胶示意图。(B) 传感器用 PVA/CNF水凝胶。(C) PVA/GEL/EG/TA@CNC-Al3+离子水凝胶。(D) 生产 BHH和BHA的自组装过程。
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纤维素基水凝胶在传感领域的应用
纤维素基水凝胶可以根据压力、温度、湿度、pH 值、电场或磁场、还原或氧化条件、光和酶等环境刺激，通过改变物理或化学性质实现不同程度的响应，因此受到越来越多的关注。文章概述了用于传感的纤维素基水凝胶的研究进展，主要围绕三个主要方面展开：物理传感器、化学传感器和生物传感器。物理传感器利用电阻传感（测量压力、应变和温度）、电容传感（测量压力、位移和触摸）、光学传感（检测光的透射、反射或折射变化）和热分析（检测热膨胀和热传导）来实现对物理量的精确测量。化学传感器利用荧光传感（环境监测和毒性测试）、比色传感（化学成分分析）、伏安法（电化学分析）和光谱传感（成分分析），以不同方式检测化学物质的存在和浓度。生物传感器利用酶传感（血糖和乳酸检测）、免疫传感（疾病检测和生物标记监测）和 DNA 传感（基因检测和病原体检测），以特定生物分子为目标。
图4. (A) 添加不同金属离子后壳聚糖水凝胶FCH-6的荧光行为比较。(B) 合成的荧光水凝胶可吸附多种重金属。(C) 纤维素基CD/罗丹明（CCR）水凝胶片用于检测和去除Hg2+的制备示意图。(D) MXene@Au双网络水凝胶的制备。
图5. (A) 新型电化学传感器的制造过程示意图。(B) 基于BC的可再膨胀水凝胶的制备及其作为汗液pH值和葡萄糖比色传感器的潜在应用。(C) P4光敏传感器的制作示意图。(D) 叶酸（FA）修饰/钯纳米粒子/CMC修饰共价有机骨架的合成过程示意图。
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研究思考及展望
物理和化学交联结构的纤维素基水凝胶为传感器的应用提供了广阔的前景。物理交联可通过非共价键稳定水凝胶，从而提高传感器的稳定性和响应速度。化学交联可实现对目标分子的选择性检测，扩大了传感器的多功能性。未来研究的重点可能是优化物理交联条件，改进交联剂的选择和浓度。这些工作旨在提高纤维素基水凝胶物理传感器对温度和湿度等参数的灵敏度和长期稳定性。对于化学传感器和生物传感器，研究人员可以重点开发新的化学交联剂。系列创新旨在提高纤维素基水凝胶快速准确地检测特定化学物质的能力，从而满足环境监测、食品安全和其他领域的需求。未来，纤维素基水凝胶有望在基础研究和实际应用方面取得更加令人瞩目的突破。
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作者简介
司传领
天津科技大学
司传领，天津科技大学教授、博导、科技处副处长、全国青联委员。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。以第一或通讯作者发表论文200余篇，授权发明专利40余项。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才等人才计划。入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、教育部、人社部、天津市重点研发计划、企业委托课题50余项，研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
天津科技大学
徐婷，天津科技大学特聘教授，入选国家高层次青年人才，中国科协青年人才托举工程（中科协资助）入选者，中国未来女科学家计划候选人。2020年于北京化工大学材料科学与工程学院获得博士学位，同年入职天津科技大学。任《eScience》、《Innovation》等SCI一区学术期刊青年编委。研究方向包括纸基先进功能材料、纤维素纳米材料的可持续制备及先进纳米生物质复合材料等。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划任务、中央引导地方科技发展项目、企业横向项目等10余项。以第一/通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等学术期刊发表论文40余篇（其中ESI高被引论文21篇、封面论文15篇）。申请/获授权发明专利11项（其中授权国际专利4项），制定行业标准1项。入选美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”，先后获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、美国工程化科学协会青年研究员奖等。
广西林科院
王军锋，广西林科院木材工业研究所所长、研究员，第十七届广西青年科技奖获得者，入选广西八桂青年拔尖人才培养项目（第一批）。2019年获南京林业大学木材科学与技术专业博士学位。主要研究方向为木质复合材料的制备机理、工艺及性能调控。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划任务、广西重点研发计划项目等20余项，以第一或通讯作者发表论文40余篇，授权发明专利10余项，主持研究成果获2022年度广西科技进步奖二等奖。
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