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本文系统综述了壳聚糖水凝胶的制备方法、功能化策略及其在柔性传感器和智能食品包装中的应用进展，分析了传感水凝胶与刺激响应水凝胶的设计原理与实现途径，总结了最新突破、主要挑战与未来机遇。
Jing Xu|Shenghua Lv|Ying Chen|Xiangyi Liu|Tingxiang He|Leipeng Liu
陕西科技大学生物资源化学与材料工程学院，中国西安710021
摘要
壳聚糖（CS）是一种天然来源的多糖，含有氨基和羟基。由于其优异的生物相容性、生物降解性、抗菌活性、亲水性和环保性，在许多领域都有重要应用。近年来，壳聚糖在水凝胶柔性传感材料和智能食品包装材料中的研究和应用受到了广泛关注。本文系统回顾了壳聚糖水凝胶的制备方法和功能化策略，以及它们在柔性传感材料和智能包装材料中的应用研究进展。分析了传感水凝胶和刺激响应性壳聚糖水凝胶的设计原理和实现方法，并强调了基于壳聚糖的水凝胶传感材料和智能食品包装领域的最新突破、主要挑战和未来机遇。这些研究成果旨在为基于壳聚糖的传感材料和智能包装材料的创新与应用发展提供指导。
引言
壳聚糖（CS）是一种从几丁质脱乙酰化得到的天然生物多糖[1]。它由N-乙酰-D-葡萄糖胺和D-葡萄糖胺通过β-1,4-糖苷键连接而成，含有氨基、羟基等活性基团。壳聚糖具有可生物降解、无毒、生物相容、抗氧化、抗菌、吸附、成膜以及酸溶性和pH调节凝胶形成的特性，广泛应用于生物医学[2]、食品[3]、环境保护[4]和农业[5]等领域。其抗氧化性能源于羟基和氨基对自由基的中和作用，而抗菌机制则是氨基的质子化通过静电作用吸附微生物的负电荷并干扰其代谢[6],[7]。
尽管壳聚糖具有亲水性，但由于其氨基处于未电离状态以及分子间和分子内的氢键相互作用，其在水中的溶解度相对较低，这限制了其在水中的应用。因此，通过化学修饰方法在壳聚糖的氨基或羟基上引入羟基、羧基、羧甲基、酰基和磺酰基等水溶性基团，以提高其水溶性并拓宽应用范围。图1B展示了通过化学修饰引入水溶性基团制备的几种常见壳聚糖衍生物，如羧甲基修饰壳聚糖CMCS、羟丁基修饰壳聚糖HBC、N,N,N-三甲基修饰壳聚糖TMC[8]、磺酸化修饰壳聚糖和壳聚糖季铵盐等。图1A展示了从海洋废弃物中制备壳聚糖的示意图。这些修饰方法为壳聚糖在生物医学、柔性传感材料和包装材料传感领域的应用提供了选择[9],[10],[11],[12]。
由于壳聚糖是一种富含氨基和羟基的天然阳离子多糖，其水溶性和分子交联结构可以通过化学修饰进行调控。因此，使用壳聚糖制备各种用途的水凝胶具有显著优势[15]。通过氢键和离子相互作用等物理交联方式，以及席夫碱反应和配位键形成等化学交联方式，可以增强水凝胶的强度和延展性[16]。通过添加功能性材料并形成动态的物理和化学交联结构，可以制备出具有良好生物相容性[17]、自修复[18],[19]、抗菌性、导电性和环境适应性的功能性水凝胶[20]，这些水凝胶可用于柔性传感材料和智能食品包装材料[21]。目前，使用壳聚糖制备柔性传感材料和功能性食品包装材料的研究受到了重视，并成为研究热点。近年来，大量文献报道了这一领域的研究进展。本文旨在总结和分析近年来壳聚糖柔性传感材料和功能性食品包装材料的研究进展，重点介绍了离子导电型和电子导电型传感水凝胶以及温度、pH值、光和湿度响应型智能响应水凝胶的制备、性能、研究进展和应用情况。同时，还介绍了壳聚糖传感水凝胶和智能水凝胶在医学、人体健康监测、食品保存和智能包装材料中的研究和应用进展，并指出了壳聚糖水凝胶研究中存在的问题及其未来发展趋势。本文的内容和思路如图2所示。
壳聚糖水凝胶的制备方法
壳聚糖水凝胶是通过物理或化学交联形成的天然聚合物水凝胶。根据交联机制的不同，这些水凝胶可以分为不同的类型，包括物理交联和化学交联。每种分类都反映了相应水凝胶的显著特性和稳定性。
基于壳聚糖的导电水凝胶的研究进展
基于壳聚糖的导电水凝胶结合了水凝胶基体的柔软性和导电组分的电学功能，成为柔性电子材料领域的重点研究方向。它们的高含水量赋予了优异的柔韧性、生物相容性和良好的机械性能，同时通过引入导电聚合物、金属或碳基填料或离子导电通道实现了电子或离子导电。基于壳聚糖的智能响应水凝胶的研究进展
随着智能材料、可穿戴设备、智能医疗和环境监测技术的快速发展[66]，基于碳纳米管的刺激响应水凝胶因其优异的生物相容性、生物降解性和功能化潜力而成为研究焦点。刺激响应水凝胶是一种能够在特定环境刺激（如pH值、温度等）下发生可逆或可控的物理化学变化的高分子网络。
基于壳聚糖的水凝胶的应用
作为唯一天然存在的阳离子多糖，壳聚糖具有多种生物活性，是制备具有理想生物相容性和生物降解性的水凝胶的理想材料[96],[97]。基于壳聚糖的水凝胶已在递送系统和组织工程领域得到广泛应用。近年来，基于壳聚糖的水凝胶在生物传感器和食品领域也显示出巨大潜力并受到广泛关注。
结论与展望
壳聚糖作为一种富含氨基和羟基的天然多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性和天然抗菌活性，在生物医学和跨学科领域具有很高的应用价值。本文系统回顾了壳聚糖水凝胶的最新研究进展，包括其多种制备方法、电导性的调控机制以及刺激响应性的优化。壳聚糖水凝胶在生物传感和食品领域的潜在应用也得到了探讨。
作者贡献声明
Jing Xu：撰写——初稿、方法学、研究设计、撰写——审阅与编辑。
Shenghua Lv：撰写——审阅与编辑、监督、研究设计、资金获取、方法学、项目管理、资源协调、撰写——初稿。
Ying Chen：数据收集与整理、方法学、数据可视化。
Xiangyi Liu：资源协调、数据收集与整理、方法学、数据验证。
Tingxiang He：数据验证、方法学、数据可视化。
Leipeng Liu：
未引用的参考文献
[53],[54],[55],[56],[57],[58],[59],[60],[61],[66],[78],[79],[80],[88],[115]
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：21276152）的支持。
