综述：纳米纤维水凝胶的进步：彻底改变可穿戴技术应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advances in nanofiber hydrogels: Revolutionizing wearable technology applications

　　本文综述了纳米纤维水凝胶的制备策略及其在可穿戴设备中的应用，重点分析了其机械性能、导电性、自愈性和生物相容性，并展望了未来发展方向。

　　

余黄|廷燕|龙江|潘卫国|王立伟

上海电力大学能源与机械工程学院，上海，201306，中国

摘要

随着可穿戴技术对柔性及耐用材料需求的增加，水凝胶因其柔软性、灵活性和生物相容性而受到了广泛关注。然而，它们较差的长期稳定性、环境敏感性、有限的可扩展性以及不足的导电性阻碍了其实际应用。本文通过将纳米纤维融入水凝胶框架中，结合了水凝胶的生物相容性和保水性以及纳米纤维的强度、导电性和适应性，解决了这些挑战。研究人员投入了大量努力，利用官能团或添加剂对水凝胶网络进行改性，以推动纳米纤维水凝胶在可穿戴技术中的广泛应用。首先，本文详细阐述了纳米纤维水凝胶的交联策略和制备方法；接着讨论了其机械性能、电性能、自修复能力、抗菌性和生物相容性；随后介绍了纳米纤维水凝胶在能量存储和可穿戴传感领域的几个有前景的应用案例，重点关注其在复杂条件下的耐用性和适应性；最后还展望了水凝胶的未来发展。本文全面总结了纳米纤维水凝胶的设计原理和合成策略，并深入分析了其关键特性，有助于研究人员及时了解最新进展，为未来的相关研究提供有益的见解。期望本综述能成为高性能水凝胶设计的有用指南，推动其在可穿戴领域的实际应用。

引言

可穿戴技术的快速发展标志着各个领域（包括医疗保健、体育和日常生活）的范式转变。智能连接设备的出现改变了人们监测健康、参与健身活动以及与技术互动的方式。可穿戴设备的种类繁多，包括测量心率和身体活动的健身追踪器，以及评估姿势的设备和智能服装[1]。这些设备设计得便于携带且用户友好，能够无缝融入日常生活，同时提供必要的数据以提升用户体验和改善效果。可穿戴技术应用广泛（图1），从实时监测生理数据的健身追踪器到配备传感器、能够检测环境变化或健康状况的智能纺织品[2]。此外，这些设备必须在日常使用中保持功能完好。水凝胶是一种三维亲水性聚合物网络，能吸收大量水分，具有柔软性、灵活性和生物相容性[3,4]。这些特性使水凝胶在可穿戴传感器[5]、柔性超级电容器[6]和软体机器人[7]等领域具有广泛应用前景。然而，水凝胶也有一些固有的局限性：虽然传统水凝胶具有生物相容性[8]，但往往机械性能较差[9]、耐用性有限[10]、热传导系数低[11]、自修复能力弱[12]和导电性不足[13]，这限制了其在可穿戴设备中的应用。因此，研究人员正在探索创新解决方案，包括引入纳米纤维。 纳米纤维具有优异的机械性能和高比表面积，非常适合用于可穿戴技术。研究人员将纳米纤维掺入水凝胶基质中，制备出新型复合材料[14]，这种新材料结合了水凝胶和纳米纤维的优点[15,16]。纳米纤维的引入使水凝胶更加强韧[17]、更具弹性[18,19]、导电性更好[20,21]且粘附性更强[22,23]。例如，导电纳米纤维使水凝胶具有电活性，有助于开发能够响应用户指令的可穿戴设备[24,25]。此外，纳米纤维水凝胶的可调性使其性能可根据具体应用需求进行定制，从而推动下一代可穿戴技术的发展[26]。除了可穿戴系统外，纳米纤维水凝胶在结构和功能上都具有优异的组织匹配性，非常适合用于伤口愈合和组织工程等生物医学应用[27,28]。在环境应用中，功能化纳米纤维水凝胶复合材料可作为重金属和染料的高效吸附剂[29,30]，其对外部刺激的响应性进一步丰富了其在软体机器人和柔性执行器中的应用。这些进展凸显了纳米纤维水凝胶的多功能性，加强了其在可穿戴技术中发展的必要性[31,32]。 随着可穿戴技术的持续进步，迫切需要开发能够满足各种实际应用严格要求的精密材料。纳米纤维水凝胶在这一领域取得了重大突破，它们结合了传统水凝胶的生物相容性和保水性以及纳米纤维的强度和多功能性。本文探讨了纳米纤维水凝胶的设计策略和多功能性，总结了其在机械强度、导电性、响应性和抗菌活性方面的最新进展，并将这些特性与可穿戴传感器、柔性储能设备和多功能系统的需求联系起来，为未来纳米纤维水凝胶的发展提供了指导。

纳米纤维水凝胶的交联策略和制备方法

如前所述，纳米纤维水凝胶具有优异的性能，使其成为可穿戴领域的理想选择。然而，要实现可靠的性能，需要调整其内部结构。交联策略通过共价键或可逆键强化水凝胶网络，从而提高其韧性、弹性和稳定性[33,34]。添加导电填料进一步将绝缘的水凝胶基质转变为导电材料。

机械性能

机械性能对含有水凝胶的可穿戴设备的功能和寿命至关重要[71,72]。纳米纤维的加入大大改善了水凝胶的机械性能，这得益于它们较大的表面积和延长的形状，形成了坚固的水凝胶网络[73][74][75]，确保了可穿戴设备在更长时间内的有效性[76]。

柔性传感器

由于纳米纤维水凝胶具有较高的灵敏度和导电性，其在柔性传感器领域的应用日益增多，能够实时监测生理数据。这些传感器能够检测心率波动和身体运动及手势，适用于多种健康监测应用[121]。向水凝胶中添加Fe₃O₄纳米颗粒可实现非接触式传感。

结论与展望

本文全面总结了纳米纤维水凝胶的最新进展及其对可穿戴技术应用的变革性影响。讨论重点关注了纳米纤维水凝胶的独特性能，如灵活性、导电性、生物相容性和自修复能力，这些特性使其成为集成到各种可穿戴电子设备中的理想选择。其独特的结构及导电纳米材料的加入实现了精确控制。

作者声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金重点项目的支持[项目编号：52236004]。