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生物质基传感器的构筑及其在人体健康监测中的应用

梁慧媛 ,  马建中 ,  杨健 ,  李雯 ,  张文博

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (9) :1380-1391

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化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (9) :1380-1391 DOI: 10.7536/PC240125
综述
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生物质基传感器的构筑及其在人体健康监测中的应用

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Construction of Biomass-Based Sensors and Their Application in Human Health Monitoring

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摘要

With the continuous development of flexible electronic devices, wearable flexible sensors show great potential in human health monitoring, electronic skin, intelligent machines and other fields. Biomass materials, as a renewable resource derived from living organisms, have the advantages of low price, green environmental protection, skin-friendly and breathable, and good biocompatibility, and have been widely studied as the substrate of wearable flexible sensors. Biomass-based sensors can be an ideal choice in the field of human health monitoring because they combine the excellent characteristics of biomass materials and sensing elements. In this paper, the structure, composition and working principle of common flexible sensors (strain, pressure, temperature, biology) are reviewed, and then the characteristics and applications of different biomass-based sensors are introduced in detail, including collagen, gelatin, cellulose, chitosan, sodium alginate and silk fibroin. Then, the applications of biomass-based sensors in human health monitoring (such as physical signal, chemical signal, bioelectrical signal, thermal signal monitoring) are summarized. Finally, combined with the current application status, the challenges and future development directions of biomass-based sensors in human health monitoring are pointed out.

Abstract

with the continuous development of flexible electronic devices in recent years,flexible wearable sensors show great potential for development in the fields of human health monitoring,electronic skin,and intelligent machines.biomass materials,as a kind of renewable resource derived from living organisms with excellent characteristics such as inexpensive,green and,eco-friendly,skin-friendly and breathable,and good biocompatibility,have been heavily studied as the matrix of wearable,flexible sensors.biomass-based sensors can be ideal for use in the field of human health monitoring because they combine the excellent properties of biomass materials with sensing elements.This paper first reviews the structure,composition and working principle of common flexible sensors(strain,pressure,temperature,biological).and then,the characteristics of different biomass-based sensors and their applications are described in detail.the biomass materials involved mainly include collagen,gelatine,cellulose,chitosan,sodium alginate,and silk protein.in addition,the applications of biomass-based sensors in human health monitoring(including physical signals,chemical signals,bioelectrical signals and thermal signals monitoring)are summarised.Finally,the challenges and future directions of biomass-based sensors and their applications in the field of human health monitoring are pointed out in light of the current status of the applications they are currently facing。

Contents

1 Introduction

2 Classification and principles of flexible sensors

2.1 Flexible strain sensors

2.2 Flexible pressure sensors

2.3 Flexible temperature sensors

2.4 Flexible biosensors

3 Biomass-based flexible sensor

3.1 Collagen-based sensor

3.2 Gelatin-based sensor

3.3 Sodium alginate-based sensor

3.4 Cellulose-based sensor

3.5 Chitosan-based sensor

3.6 Silk protein-based sensor

4 Application of biomass-based sensors in human health monitoring

4.1 Physical signal monitoring

4.2 Chemical signal monitoring

4.3 Bioelectrical signal monitoring

4.4 Thermal signal monitoring

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

柔性传感器 / 生物质基传感器 / 健康监测 / 可穿戴

Key words

flexible sensor / biomass-based sensors / health monitoring / wearable

引用本文

引用格式 ▾
梁慧媛, 马建中, 杨健, 李雯, 张文博. 生物质基传感器的构筑及其在人体健康监测中的应用[J]. 化学进展, 2024, 36(9): 1380-1391 DOI:10.7536/PC240125
Huiyuan Liang, Jianzhong Ma, Jian Yang, Wen Li, Wenbo Zhang. Construction of Biomass-Based Sensors and Their Application in Human Health Monitoring[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(9): 1380-1391 DOI:10.7536/PC240125

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1 引言

随着人们环境保护和健康意识的增强，部分对环境不友好的合成高分子材料逐渐被环境友好型的生物质材料所替代[1]。常用的生物质材料包括纤维素、壳聚糖、海藻酸盐、胶原、淀粉、蛋白质、琼脂等[2]。由于自身独特的空间构象和化学组成，以及易功能化、生物相容、可生物降解、低碳排放等诸多优势[3]，其在环境、食品包装、能源、生物医学及航空航天等领域扮演着不可或缺的角色[4]。生物质基传感器是以生物质材料为基材所制备的一类传感器，早期的生物质基传感器主要是利用生物质材料对化学物质进行选择性识别和检测的生物传感器[5]。随着生物科学与人机交互技术的不断发展，生物质基传感器也不断得到改进和创新，逐渐应用于健康监测、智能家居及生物医学等领域[6]。

人体健康监测作为柔性传感器应用领域之一，能够对人体生理指标、健康状况进行实时或定期监测和记录。用于健康监测的柔性传感器在个人智慧医疗和远程医疗等领域备受青睐，且对人体生理状况进行准确、长期的监测也将为疾病诊断和治疗提供更多的机会[7]。

基于此，本文对不同类型柔性传感器的工作原理进行了概述，并介绍了不同生物质基传感器的组成、特点及其应用领域，其次，对生物质基传感器在人体健康监测中的应用进行概括分析，并指出生物质基传感器及人体健康监测未来的研究方向。

2 柔性传感器的分类及原理

柔性传感器是一种可弯曲、拉伸或扭转的传感器，能够对与特定环境或生物物种相关的各种刺激进行有效检测[8]，在受到机械、温度或湿度等外部环境刺激时，柔性传感器能将所感知到的刺激转换为可检测的电信号[9]。按照使用途径的不同，可将其大致分为柔性应变传感器、柔性压力传感器、柔性温度传感器、柔性生物传感器等[10]。

2.1 柔性应变传感器

柔性应变传感器的工作原理是将机械变形转化为电信号，其机理主要源于材料本身的几何变化（长度和横截面积）、固有电阻响应、导电粒子之间的断开机制和隧道效应等[11]。常见的柔性应变传感器根据其传感机制可分为电阻式、电容式和压电式[12]。其中，电阻式应变传感器的传感机制是当压阻材料在外力作用下产生形变时，导电材料内部微结构的变化可被记录为电阻变化并通过外部电路顺利转化成其他可进行操作的信号[13]。电容式应变传感器由一对可拉伸电极和介电材料层组成，主要依赖介电材料和两个电极之间的几何形状变化将应变转化为变化的电容信号[14]。压电式应变传感器的主要传感机制是压电效应，即压敏材料在产生形变时，材料的两个相对表面上出现极性相反的正负电荷，从而形成相应大小的电位差[15]。

目前，柔性应变传感器还需在基底热力学稳定性、力电转换机制、穿戴舒适性、灵敏度、线性度、可靠性以及耐久性等方面进行提升[16]，因此需要合理地选择复合材料结构并设计调控功能材料与聚合物之间的相互作用，以实现更高性能的应变传感[17]。

2.2 柔性压力传感器

柔性压力传感器在受到外力作用时，能够将压力信号转化为电阻、电流或电容等电信号，并通过电信号的改变反映外力大小[18]。按照传感机制的不同，柔性压力传感器可分为电容式、压阻式、压电式、摩擦电式四种类型[19]。在压力作用下，电容式压力传感器内部结构及介电常数等的变化会对电容值产生影响，通过电容变化响应所施加的压力[20]。压阻式压力传感器的结构、电极间接触电阻或导电路径等的变化会引起电阻变化，从而转化为相应的电信号。另外，压电式压力传感器的传感机制主要基于压电效应，压电材料会在压力作用下发生极化，从而在电极表面产生自由电荷。摩擦电压力传感器则基于摩擦电和静电感应的耦合效应，当具有不同摩擦电特性的两层材料接触时，不同的电荷将聚集在表面，这种“生电过程”能够将压力转换为电信号进行输出[21]。

随着人工智能领域不断发展，压力传感器将更多地应用于超精密领域（如超小型压力检测）。这要求压力传感器同时具有超高灵敏度、宽检测范围、低功耗以及多功能等特性。

2.3 柔性温度传感器

柔性温度传感器能够检测和传输来自人体、环境和电子设备等多种来源的温度信号，在活动监测、环境感知和事故预警中具有巨大的应用潜力。然而，由于构建高灵敏度的柔性传感元件过程较为复杂，因此制造具有卓越传感性能的柔性温度传感器仍是一项艰巨的任务[22]。柔性温度传感器通常由温敏材料与柔性基板结合而成，其传感机制是当温度产生变化时，温敏材料将产生相应的电阻变化[23]，这种电阻变化可以被测量并转换为电信号，从而实现对温度的监测[22]。

温度传感器为个人健康管理提供了新的可能性，高灵敏度、优异的机械性能、环境稳定性和宽检测范围也是柔性温度传感器必不可少的优势[24]。在实际应用中，不同使用场景可能对温度传感技术有不同的要求，如医疗器械领域需要更高的温度测量精度和稳定性，而可穿戴设备领域则更注重传感器的柔软性和舒适性。

2.4 柔性生物传感器

生物标志物是反映生物体健康状况的指标之一，通过对生物标志物（如蛋白质、核酸、代谢产物等[25]）的分析，可以帮助医生进行疾病的早期诊断、治疗效果的评估以及疾病的预后判断[26]。柔性生物传感器主要由分子识别元件和换能器组成，其传感机理是当分子识别元件（如酶、细胞、微生物）检测到生物信号变化时，能够通过换能器将其转化为可读取的电信号并传输给监测装置[27]。

柔性生物传感器还需要在材料的生物相容性、器件的小型化与集成化、设备的准确性与抗干扰性、信号传输的连续性以及自驱动式能源供给等方面进行提高[28]。

3 生物质基柔性传感器

生物质材料具有柔软度高、生物相容性好的优势，还具有可再生、可降解等特性，因此常用作柔性传感器基底材料。常用的生物质基材料包括胶原蛋白、明胶、海藻酸钠、壳聚糖、纤维素、丝素蛋白等。将具备独特结构和性能的生物质材料与传感技术相结合，能够实现对环境、物体和生物体等的感知和监测[29]。

3.1 胶原蛋白基传感器

胶原蛋白是由三个多肽链缠绕而成的圆柱形蛋白质（图1），可以通过酶法、盐法或酸法等从动物组织中分离和纯化[30]。与非生物质材料相比，胶原蛋白易被生物体所吸收并为创伤提供营养、产生疗效[31]。且作为体内含量最多的结构蛋白，胶原蛋白具有识别细胞信号、机械性能可调以及生物降解性好等特性，因此可用于构建性能优异的生物质基传感器[32]。

胶原蛋白基材料存在热稳定性差、抗水性差、机械强度低、易酶解等缺陷，因此需要利用其他材料对其进行加工处理，以弥补上述缺陷，从而构建具有不同性能的胶原蛋白基传感器[33]，在改善其原有结构与性能缺陷的同时，赋予胶原蛋白基传感器优异的生物学特性，并将其应用于运动监测[33]、生物传感[34]、电化学传感[35]、气味检测[36]等领域。Wang等[37]向不同层的胶原蛋白聚合体中掺杂聚苯胺-酸化多壁碳纳米管复合材料制备基底层和压电层，将其组装成具有多层三维网络结构的新型多功能传感器。其基底层的交叉电极和压电层内部的多层三维结构可为传感器提供极高的湿度和压电传感能力，因此能在健康监测和生物医学等领域广泛应用。另外，理想的柔性传感器需要具备多环境适用性（如温暖、寒冷甚至水下条件）。Gu等[33]利用胶原蛋白、二醛羧甲基纤维素、丙烯酸、AlCl3和丙二醇等材料，构建了基于胶原蛋白的多功能自愈合导电水凝胶传感器。由于内部动态可逆的希夫碱共价交联、金属配位作用以及大分子之间的分子缠结与氢键作用，使该水凝胶传感器表现出稳定的应变传感能力，可在寒冷环境或长期放置后仍对人体运动信号进行准确监测。

3.2 明胶基传感器

明胶是胶原在酸性或碱性环境下的中度热变性产物，有着与胶原相似的氨基酸结构（图2）[38]。除了拥有胶原所具备的生物功能，还具有良好的成膜性、胶凝性、乳化性以及优于胶原的溶解性和化学反应活性等[39]，因此在传感器领域展现出良好的应用潜力。

明胶基传感器通常可通过改变明胶的物理化学性质或调控明胶与细胞间的相互作用进行制备。由于明胶作为基体材料时往往存在机械性能差、易脆裂以及降解速度过快等缺陷，因此需要采用改性明胶或向明胶基体中掺入无机材料及合成高分子材料的方式得以解决[40]。例如，Liu等[41]将聚（3，4-亚乙二氧基噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）掺入明胶网络中，通过热增强策略，制备了性能优异的多模态明胶基水凝胶传感器，不仅可用于监测体温或环境温度，还能在低温条件下监测人体生命体征和行动能力，从而确保人体生命安全。进一步，为解决纯天然聚合物基传感器在机械强度与导电性方面所面临的挑战，Qin等[42]以明胶和氧化羧甲基纤维素钠为原料，利用动态Schiff碱键合成双网络水凝胶，并利用明胶和盐之间的霍夫迈斯特效应进一步增强水凝胶的机械性能及导电性能。所制备的水凝胶传感器可精确监测人体多个关节的运动，因此在健康监测和信息记录方面展现出巨大应用潜力。

明胶基传感器通常具有良好的生物相容性、可降解性[43]、传感性能[38]、抗菌性能以及可调控的机械性能[44]等，目前，已广泛应用于伤口愈合敷料[45]、软体机器人[43]、离子皮肤[36]及多功能柔性传感器[46,47]等领域。

3.3 海藻酸钠基传感器

海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古罗糖醛酸通过（1-4）键连接而成的天然高分子多糖[48]，因其良好的生物相容性和生物降解性而备受关注，在生物、医学、食品和化学等领域具有广泛的应用前景[49]。

海藻酸钠基传感器通常存在稳定性差、机械性能弱[50]、孔隙率低且易碎[51]等缺陷，限制了其在传感领域的应用。然而，由于海藻酸钠中具有大量的羟基和羧基（图3）[52]，在显著提高传感材料亲水性的同时，还能经过物理或者化学方法改性海藻酸钠基材料以提高其不同性能（溶胀、降解、黏附以及机械性能等），使海藻酸钠基传感器在保留原有优势的同时实现多功能化和智能化[53]。

海藻酸钠基柔性传感器在使用过程中易受到外界因素侵扰而缩短其使用寿命。因此，Zhao等[50]以海藻酸钠、壳聚糖、单宁酸等生物质为原料，通过动态硼酸酯键和氢键构建水凝胶三维网络，以制备多功能自愈合水凝胶传感器。该传感器具有良好的拉伸性、自愈性和稳定的传感性能，不仅可以用作应变传感器来监测人体运动，还可作为电子皮肤或触屏笔来书写。海藻酸钠作为一种天然聚电解质，能够用于构建离子传输网络并实现传感器力学性能与导电性能间的权衡。Huang等[54]将多糖电解质海藻酸钠引入聚乙烯醇中，通过物理冻融法巧妙构建离子传输网络和能量耗散网络。由此，利用盐析和溶剂置换法制备了具有多种物理效应的双网络复合低共熔凝胶，所得复合凝胶传感器表现出优异的力学性能、抗冻性和稳定性，可对人体关节运动进行灵敏精确监测。

目前报道的海藻酸钠基传感器具有高比表面积、良好的导电性、稳定性及吸附性能，已被用于制备气凝胶[55]、水凝胶[56]、载体材料[57]等，在摩擦纳米发电机[58]、柔性超级电容器[59]、葡萄糖检测[60]、人工智能[61]等领域中也得以广泛应用。

3.4 纤维素基传感器

纤维素作为自然界中分布最广、含量最多的可再生生物质原料，是一种高度聚集的异构体[62]。如图4所示，纤维素由β（1-4）连接的D-葡萄糖单元构建的线性多糖材料组成，具有优异的机械强度、生物降解性和可再生性[63]。其中氢键和范德华力的存在，使纤维素或纤维素衍生物具有亲水性表面，因此可通过氢键、共价键或离子相互作用与其他材料相结合制备传感材料[64]。纤维素在传感器领域的开发不仅能够减轻当前环境问题的负担，还能与人体皮肤友好兼容，使传感材料向更加环保、绿色、可穿戴的方向发展[65]。

纤维素的高亲水性会导致传感器在高湿度条件下吸水破裂，从而制约传感器的稳定性和使用寿命，因此有必要开发超疏水纤维素基传感器。Yun等[66]以可再生可降解的植物纤维素为主要原料，利用疏水二氧化硅作为涂层封装导电层，制备了超疏水性纤维素基柔性传感器。该传感器可用于高湿度或水下环境中人体各种运动的有效监测，且所集成的柔性电子皮肤可用于显示皮肤随身体运动的空间应变分布。纤维素纳米纤维具有比细菌纤维素和纤维素纳米晶体更好的尺寸和增强性，可为传感器提供更好的机械性能和导电性。基于此，Fu等[67]利用纤维素纤维、纤维素纳米纤维和银纳米线组装成复合纤维素纸，以此构建具有高机械性能和灵敏度的柔性压力传感器，可用于响应手指运动、语音识别和人体脉冲等，表明生物质材料在增强可穿戴监控设备的传感性能和功能性方面具有极大潜力。

天然聚合物纤维素通常可以通过物理、化学交联以及化学改性、功能化处理等方式制备纤维素基传感器[68]。纤维素材料本身所具有的生物相容性和可再生性，能够有效增加纤维素基传感器的可回收性[69]，其可调控的交联方式能够赋予传感器更好的结构稳定性和力学性能。此外，纤维素材料的微纳结构和导电性也是构建高性能柔性传感器的关键因素[70]。纤维素基传感器具有环境友好、灵敏度高[71]、结构可调[72]、化学稳定[73]和机械性能优异等优势，因此已被应用于智能传感[74]、气体传感器[75]、能量收集[76]、医学诊断[77]等领域。

3.5 壳聚糖基传感器

壳聚糖是从甲壳类动物中提取的由β-1，4-d 连接氨基葡萄糖单元组成的环保型生物聚合物（图5）[78]，是继纤维素之后含量第二丰富的多糖，可以通过物理交联相互作用（如氢键[79]、金属配位[80]、静电力[81]）转化为凝胶，主要应用于与其他天然聚合物（如多糖和蛋白质等）共混[82]。由于壳聚糖价廉易得且具有良好的可成膜性、生物相容性、生物降解性以及抗菌抑菌性[83]等优点，在可持续和柔性电子产品中具有良好应用潜力[84]。

壳聚糖分子链上大量的活性氨基和羟基使其具有优异的生物学功能，被认为是比纤维素更具应用潜力的功能性生物材料[78]。在制备壳聚糖基传感器时，可采用接枝[85]、共聚[86]、交联[87]等方式对壳聚糖进行化学修饰或使用掺杂纳米材料、共聚成膜等手段赋予其特定的传感性能。为制备更加简单、高效、经济的可降解柔性传感器，Zhang等[88]以天然可再生的壳聚糖和马铃薯淀粉为主要原料制备了生物基可降解柔性传感器，壳聚糖与其他分子间所形成的氢键和配位键使传感器表现出良好的拉伸性和抗疲劳性。该传感器可对人体关节的实时运动进行无线检测，且其良好的降解性能能够有效避免资源浪费。但由于壳聚糖受限于其融化温度高于降解温度的固有缺点，因此很难通过传统的热成型或无溶剂方法制造。Sun等[84]基于离子液体的塑化作用，通过滚压成型加工壳聚糖薄膜的工艺方法，制备了具有良好电容响应特性的壳聚糖基电极传感器。其中，离子液体可通过索氏萃取进行循环利用，传感器也可在醋酸溶液中实现电路的快速恢复，这对壳聚糖产品的可持续和可扩展制造具有重要意义。

壳聚糖基传感器通常具有生物相容性好、灵敏度高、选择性好、机械性能和黏附性强等特点，已在生物识别和传感[89]、伤口敷料[90]、细菌传感器[91]、电极传感器[92]等多领域广泛应用。

3.6 丝素蛋白基传感器

丝素蛋白又称蚕丝蛋白，由于其出色的生物相容性和生物降解性，在许多与人体相关的应用中具有广阔前景[82]。丝素蛋白的主要来源是蚕茧和蜘蛛丝，其结构及制备过程如图6所示，与具有许多不同结构的球状蛋白相比，丝素蛋白是一种具有高度定向晶相的纤维蛋白[93]，凭借其优异的机械耐久性、可调的二级结构和体内生物相容性等，已被确定为表皮和植入式电子设备的理想材料之一[94]。

为获得具有良好导电性和响应时间的柔性传感器，研究者们以丝素蛋白为基体，通过控制功能材料的用量来制备各项性能优异的柔性传感器。丝素蛋白能够再生并重塑成纤维、薄膜等，也可通过掺杂功能材料（如碳纳米管[95]、石墨烯[96]、金属纳米线[97]等），赋予丝素蛋白基传感器优异的导电性、发光性以及改善的机械性能。柔性基底材料的透气性、生物相容性及力学性能对柔性传感器的长期监测与显示具有重要作用。由此，Xu等[98]通过对天然丝素蛋白进行掺杂和改性，利用聚氨酯和异丙醇的添加改善复合蚕丝膜的均匀性和机械性能。以这种复合丝素蛋白为基底材料，制造出基于丝素蛋白的功能化显示屏。这种显示屏具有成本低、机械灵活、可批量生产的特点，且该种显示技术有助于掌握更多的数据信息，如生理健康指标、环境参数、健康状况等。

丝素蛋白基传感器具有强吸附力[99]、坚韧性以及优异的机械性能[100]等特点，在柔性传感器[101,102]、光子纤维器件[93]、口腔保健[103]、超级电容器[104]、人造电子皮肤[105]等领域引起了广泛的兴趣，因此也是下一代可持续材料有趣的候选材料之一[106]。

4 生物质基传感器在人体健康监测中的应用

人体健康监测主要包括对人体生命体征和运动健康状况的体外监测和植入式监测，传感器件可通过与人体接触或植入人体的方式来实时监测pH值、心率、体温、血氧和生物电信号等[107]，从而实现对疾病的预防及诊断。根据原理的不同，可将其区分为对以下四类信号监测：物理信号（如运动、声音）监测、化学信号（如离子浓度、pH）监测、生物电信号（如心电、脑电信号）监测以及热信号（如体温）监测[108]。

4.1 物理信号监测

人体物理信号包括声音、触觉及运动信号等，用于人体物理信号监测的传感器通常会经受长时间高频率的使用，且人在物理运动过程中往往会产生大量的汗液，因此传感材料需要同时具备耐用、透气、防汗等优势，才能保证传感器的正常使用。Guan等[109]将纸张逐张浸入MXene悬浮液和疏水可降解施胶剂乳液中制备了纸基传感器，其中由木质素和松香制成的施胶剂层能够有效保证复合材料的疏水性与可降解性，因此传感器即使在水下环境仍能精确检测人体运动信号。

此外，电池的灵活性、可伸缩性，甚至频繁充电等都会限制传感器的应用，因此理想的可持续电源对于生物质基传感器至关重要。Huang等[65]利用天然无害的生物质基细菌纤维素/壳聚糖复合材料和掺杂铜纳米颗粒的聚二甲基硅氧烷薄膜分别作为正、负摩擦电层，构建了可穿戴式自供电压力传感器。生物质基细菌纤维素材料具有超细纤维结构、高结晶度、优异的柔韧性以及高机械强度，不仅能够与人体皮肤友好兼容，还可以减轻传统导体材料对环境造成的负担，促使传感器向更加环保、绿色、可穿戴的方向发展。为了使传感器更好地适应人体各项复杂运动并降低细菌侵扰的风险，Yan等[110]将鱼明胶引入聚合物网络中（图7），通过在水凝胶网络中原位生长银纳米颗粒的方式减少细菌感染并促进伤口愈合。该水凝胶应变传感器具备高灵敏度（GF=4）、优异的自黏附性和抗菌性能等，因此可以完成对多种人体运动的监测并提供精确的生物力学信息，为经济高效、安全绿色和高精度的个性化健康评估提供重要的技术支持。

4.2 化学信号监测

化学信号主要源于汗液、尿液和血液，其中包含葡萄糖、乳酸等代谢产物以及钠离子和钾离子等电解质。对人体化学信号的准确监测有助于各种疾病（如肾病、糖尿病、皮肤病等）的早期诊断。

体液pH值可以反映人体代谢水平及电解质浓度，然而，由于实时采样的困难，pH监测技术目前尚未得到充分发展[111]。Yang等[112]提出了一种成本低廉、制作简单、采样方便、检测精确的纸基pH传感器。该传感器分别由皮脂吸附层、油脂吸附层和中间滤纸层结构组成，能够有效过滤掉可能影响pH传感器监测性能的干扰物质（即汗液中的油脂、颗粒物和灰尘等），并降低皮脂对pH电极电位响应的影响。这种纸基pH传感器可用于监测人体代谢水平和pH平衡，并帮助医生获取肾脏疾病、糖尿病和皮肤病患者的生理信息，从而更好地做出诊断决策。另外，生物质基材料能够与生物体接触而不引起明显的免疫反应，且其特有的生物活性有助于提高pH传感器的灵敏度和稳定性，从而制备出环保经济、灵敏度高的生物质基pH传感器。Nawaz等[113]在醋酸纤维素骨架上构建扩展的共轭结构，开发了一种如图8所示的环保型纤维素基荧光 pH 传感器，该传感器不仅能够在较窄的pH值范围内清楚地通过荧光颜色变化监测pH 值，还能制成柔性荧光薄膜应用于智能食品包装和防伪印刷行业。

4.3 生物电信号监测

随着可穿戴个人健康管理设备的日益普及，日常心电、肌电、脑电等生物电信号监测技术受到了广泛关注[114]。传统的生物电信号监测系统存在体积庞大、价格昂贵、便携性差等缺点，难以满足长期或日常监测的需求[115]。因此，有必要开发灵活、可重复使用的无线生物电信号监测设备以取代现有复杂的监测系统。

对人体生物电信号的有效监测能够帮助完成运动评估与康复评估等，从而有针对性地进行运动指导或康复训练。北京理工大学霍波课题组[116]开发出应用于冬奥会运动员体能训练的肌电设备，将电极片贴在运动员的皮肤上即可重复监测运动过程中肌肉被激活的顺序和程度，所获取的数据还可以作为针对性指导运动员锻炼的依据。但在运动过程中，电极片在皮肤界面处的黏附性会逐渐降低，因此电极片在出汗条件下通常很难具有良好的保形能力。研究者们了解到丝素蛋白的杨氏模量在有水存在时会降低并变得与皮肤相似，这种水响应特性使丝素蛋白成为在出汗皮肤上保持高附着力和保形性能的最佳选择之一。南洋理工大学的陈晓东等[117]以丝素蛋白作为电极材料，与聚吡咯进行界面聚合后制备出如图9所示的复合电极，界面聚合有助于形成聚吡啶与黏结层之间的互锁结构，使薄膜拉伸性与黏结层相匹配，实现整个电极的均匀拉伸。其次，黏结层表面的强附着力，使电极在出汗的情况下仍能与皮肤很好地贴合。使用该电极制备的可穿戴设备能够在运动和出汗情况下稳定可靠地收集电信号。

4.4 热信号监测

热信号通常指人体温度信号，其变化能够反映人体发热、寒冷、血流速度、肌肉疲劳等一系列生理状况[118]。对人体温度进行灵敏、准确、快速的监测能够有效预防身体异常并避免高温或低温所造成的损伤[119]。

目前，用于人体热信号监测的传感器通常存在尺寸大、可穿戴性及耐用性差等劣势，且需要依赖外部电源进行工作，这对信号监测的可靠性与准确性等均会产生一定影响，因此开发具有重复高温预警能力的可穿戴式自供电温度传感器具有重要意义。Jiang等[120]通过在海藻纤维中引入坚固可逆的动态共价键，制备了一种基于丝胶蛋白和氧化海藻酸钠的自愈合气凝胶纤维。该纤维展现出大长径比、可弯曲性、透气性和可洗涤等优势，当感受到异常温度时，能够在不依赖外接电源的情况下迅速启动预警系统，因此可用于人体温度异常的监测。另外，柔性基板的热稳定性对温度传感器的高精度和再现性也不可或缺，合适的柔性衬底也是影响温度传感器性能的关键因素。蛋壳膜具有独特的空间网格微结构，因此可作为理想衬底来实现有效的皮肤热收集和超快热扩散。如图10所示，Zhang等[121]将蛋壳膜与还原性氧化石墨烯相结合，成功构建了一种灵敏度高、线性度好、稳定及快速响应的柔性可穿戴温度传感器。更重要的是，该传感器能够在线实时监测体温和呼吸温度，因此有助于在健康监测、疾病诊断和人机交互方面的广泛应用。

生物质基传感器凭借其环保可持续、柔性可塑、生物相容、低能耗以及多功能性等优势，已被广泛应用于生物、农业、环境及医疗等领域[122,123]。目前，生物质基传感器已经能够轻易地通过无线网络在智能手机及终端设备上进行显示和传播，随着对生物质基传感器技术的不断深入了解，有望在未来的发展中实现对更多人体信息的监测[124]。

5 结论与展望

与传统笨重、僵硬的电子设备相比，具有柔性、穿戴舒适性的健康监测系统是未来发展的必然趋势。生物质材料作为健康监测领域必不可少的天然可再生资源，广泛应用于柔性可穿戴传感。但由于技术研发困难及性能稳定性较差等问题，限制了生物质基传感器的应用及发展。基于当前的研究进展，我们认为未来更多的研究可能集中在以下4个发展方向。

（1）生物质材料作为传感器基材时，容易受到外界环境因素的影响，导致传感器的稳定性与耐用性不足等问题，影响其应用效果。通过材料改性、结构设计等手段对生物质材料的结构与性能进行调控，能够提高传感器的灵敏度、机械性能、稳定性及耐用性，促进其在医疗健康监测领域的应用。

（2）传统的健康监测通常依赖于硬件设备与传感器，这在很大程度上限制了用户与设备的交互性和体验感。在一些特定用户（如残障人士、老年人及儿童）与特殊场景（高温、低温、有毒环境等）的使用过程中，传统的健康监测设备往往难以满足用户的需求，因此，需要通过不断研发和技术创新来推动健康监测系统的发展。

（3）未来健康监测系统更注重隐形化和便捷化，无需佩戴或接触复杂的硬件设备，通过无感知技术或环境感知等方式实现对人体生理指标的实时监测，并且能够通过结合人机交互技术，将监测信息实时传输保存以供用户和医生及时了解健康状况。

（4）在进行健康监测时，也可通过利用多种传感技术（如光学、电学、生物传感等），实现多模态的生理指标监测，从而为用户提供更全面及更精确的健康监测及评估。

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