一种高性能、生物相容性的生物质基鱼明胶有机水凝胶传感器，用于长期精确监测植物生长情况

《International Journal of Biological Macromolecules》：A high-performance biocompatible biomass-based fish gelatin organohydrogel strain sensor for long-term accurate plant growth monitoring

本研究提出一种金属离子与多重氢键协同交联策略，开发高性能鱼胶原蛋白基有机水凝胶应变传感器。该材料具备优异机械性能（杨氏模量99.9 kPa）、高灵敏度（GF=2.13）、优异生物相容性和长期稳定性（超5000次循环）。通过制备夹层式传感器，实现了荷茎和柚子果实生长的实时高精度监测（准确率87.5%-98.6%），为智慧农业提供了创新解决方案。

　　

作者：何毅 | 宋荣泰 | 李根 | 卢宝阳

江西科技师范大学柔性电子学重点实验室，中国江西省南昌市330013

摘要

基于有机水凝胶的植物应变传感器在实现精确和实时监测植物生长过程方面具有巨大潜力。然而，现有的应变传感器通常面临诸如生物相容性较差、传感性能与机械性能之间的权衡以及长期稳定性不足等问题，这些问题导致监测不准确并可能损伤植物组织，从而限制了其实际应用。本文提出了一种协同作用的金离子和多重氢键双重交联策略，开发了一种以生物质为基础的鱼明胶有机水凝胶作为应变传感材料。该有机水凝胶同时具备优异的机械性能（杨氏模量为99.9 kPa，粘附力为60 kPa）、高传感性能（GF = 2.13），在-80°C至25°C的宽温度范围内响应稳定），出色的植物组织和人体细胞生物相容性，以及长期稳定性（在100%应变下可承受超过5000次加载-卸载循环），整体性能优于大多数现有有机水凝胶。为了利用这些独特的材料性能，我们制造了一种夹层结构的植物应变传感器，用于长期监测植物生长。该传感器能够成功实现对莲花茎和柚子果实生长动态的实时监测，具有高精度和长达三周的长期稳定性。我们这种高性能有机水凝胶的新设计策略为推进数据驱动的智能和精准农业实践开辟了新的可能性。

引言

随着农业生产向智能生态系统[1]、[2]的快速发展，可穿戴监测设备[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]因其非侵入式的实时传感优势，已成为智能农业中监测植物生理状态的重要工具。作为核心传感组件，应变传感器能够准确捕捉植物生长过程中的微小变形信号，为分析植物生理状况及其对环境压力的响应提供关键数据支持[9]、[10]、[11]。目前，植物应变传感器广泛应用于智能农业和绿色有机农业[12]、[13]等多个领域，应用范围包括记录植物电生理信号[14]、[15]、监测植物脉动[16]、评估生长状况[17]、[18]、检测环境湿度变化[19]、识别植物病虫害[20]、[21]以及监测农业化学品[22]。在各种植物传感器中，基于有机水凝胶的柔性应变传感器因其柔软性、可伸展性和非侵入性[23]、[24]而受到广泛关注。尽管在应变传感器方面取得了显著进展[25]、[26]、[27]、[28]，但大多数现有有机水凝胶应变传感器仍面临生物相容性较差和传感性能与机械性能之间的权衡等问题，这引发了人们对长期生长监测过程中可能损伤植物组织的担忧[29]、[30]。此外，在户外环境中温度和湿度波动的情况下，监测精度可能会受到影响；因此，确保长期精确监测仍是智能农业领域的一大挑战。

为了解决这些挑战，开发兼具生物相容性、机械性能和传感性能的新型有机水凝胶应变传感器对于推进智能植物监测技术至关重要。最近，人们越来越关注寻找更可持续的植物应变传感器材料[31]、[32]、[33]、[34]。与合成聚合物相比，天然生物质材料具有环境友好、成本低廉、天然丰富和优异的生物相容性等独特优势[35]、[36]、[37]。关于生物质凝胶的最新研究侧重于机械强度和环境适应性，但往往牺牲了生物相容性或无法平衡抗冻性和保水性。鱼明胶是一种胶原蛋白的水解产物，通常从鳕鱼、罗非鱼和鲨鱼等鱼类的富含胶原蛋白的组织（如皮肤、骨骼、鳞片）中提取[38]、[39]。鱼明胶具有优异的生物相容性、降低的抗原性和对低温环境的更强适应性[40]、[41]、[42]，是植物应变传感器的理想候选材料。因此，开发基于鱼明胶的应变传感器对于扩大植物传感器的材料选择范围具有重要意义。

本文提出了一种协同作用的金离子和多重氢键双重交联策略。通过将鱼明胶的强氢键网络与羧甲基纤维素（CMC）[img style="vertical-align:middle" src="https://sdfestaticassets-us-east-1.sciencedirectassets.com/shared-assets/55/entities/sbnd.gif" alt="single bond">Na的金属离子配位网络结合，成功开发了一种以生物质为基础的鱼明胶有机水凝胶。该有机水凝胶同时具备优异的机械性能、高传感性能、出色的植物组织和人体细胞生物相容性以及长期稳定性。基于这些性能，我们构建了一种夹层结构的应变传感器，能够成功实现对莲花茎在营养生长期和开花期的高度敏感监测，并在整个柚子果实膨大阶段进行连续跟踪。监测数据与物理测量结果高度一致，准确率分别达到了87.5%和98.6%。

基于生物质的鱼明胶有机水凝胶的设计与制备

为了克服现有植物应变传感器在实际应用中面临的多种挑战，理想的植物应变传感器应满足以下核心性能要求：出色的生物相容性、可调的机械性能、抗冻性、保湿性和稳定的传感功能[43]、[44]、[45]（图1a）。

通过非化学交联方法制备水凝胶是一种确保其生物安全性的有效途径。本文提出了一种...

结论

在本研究中，我们提出了一种基于协同作用的金离子和多重氢键的双重交联策略，并成功开发了一种以生物质为基础的鱼明胶有机水凝胶。所制备的有机水凝胶同时表现出优异的机械性能、高传感性能、出色的植物组织和人体细胞生物相容性以及长期稳定性。为了扩大其实际应用，我们基于该水凝胶制备了一种夹层结构的植物应变传感器...

材料

鱼明胶（FG）购自江西食品mate生物技术有限公司（中国江西省）。羧甲基纤维素钠（CMC）、氯化铝（AlCl₃）、氯化锌（ZnCl₂）和氯化锂（LiCl）由上海阿拉丁试剂有限公司（中国上海市）提供。木质素磺酸钠（SLS）、氯化钾（KCl）、氯化镁（MgCl₂）、氯化铁（FeCl₃）和氯氧化锆（ZrOCl₂则由上海麦克林生化科技有限公司提供。

作者贡献声明

何毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件使用，实验研究，数据分析，概念构思。 宋荣泰：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，数据分析，概念构思。 李根：实验研究，数据分析。 卢宝阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，资源协调，数据分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52473179）、机械系统与振动国家重点实验室研究项目（MSV202013）、国家自然科学基金青年基金培训项目（20202ZDB01007）以及江西省柔性电子学重点实验室（20242BCC32010）的支持。