《South African Journal of Chemical Engineering》：Unified Hydrogel Platforms across 3D Bioprinting and Wearable Biosensing: Shared Materials, Design Rules, and Future Directions
水凝胶生物墨水（bioink）用于基于挤出的3D生物打印以及可穿戴水凝胶生物传感器通常被作为独立的材料体系进行综述，尽管两者均依赖于耦合的流变学、水合作用、物质传输、力学、导电性及生物界面稳定性。本综述旨在通过定量的结构–性能–功能框架，统一面向软骨的水凝胶生物墨水与可穿戴水凝胶传感界面。研究人员主要对2019年至2026年间发表的同行评审研究进行了比较，提取了流变学、溶胀、保水性、力学、导电性、生物相容性及传感参数。可打印水凝胶体系的黏度为4.6–264.1 Pa·s，屈服应力为132–240 Pa，储能模量从543 Pa至>5 kPa，溶胀比约为115–227%，丝材直径为210–220 μm，可打印性值为0.93–0.95，在所选软骨导向构建体中细胞存活率约为90–95%。可穿戴水凝胶体系的电导率从>10?2 S·m?1至>11 S·cm?1，30天后保水率高达94.4%，可拉伸性高达719%，运动伪影降低约三倍，胆固醇和乳酸的生物标志物检测限为0.26–0.51 nmol·cm?2。主要科学观察结果是，高性能水凝胶很少依赖单一聚合物网络；相反，需要混合、纳米复合、导电、生物活性、两性离子或多层架构来平衡可打印性、水合控制、物质传输、力学鲁棒性、生物安全性及信号可靠性。本综述与以往水凝胶综述的不同之处在于将生物制造和生物传感指标整合到一张基准图中，并将分散的实验数据转化为可扩展、可重复且多功能的医用水凝胶平台的设计规则。
1. 引言
该部分指出，基于挤出的3D生物打印和可穿戴生物传感中的水凝胶研究虽发展迅速，但两个领域仍常被作为独立的材料体系进行评估。在挤出生物打印中，水凝胶生物墨水主要依据流变学可加工性、黏度、剪切稀化行为、屈服应力、凝胶动力学、丝材保真度、打印后稳定性及细胞存活率进行评价。在可穿戴生物传感中，水凝胶界面主要依据保水性、黏附性与皮肤贴合性、导电性与信号转导、分析物传输、分析灵敏度与检测限、运动稳定性以及长期信号可靠性或操作稳定性进行评价。这种分离造成了重大差距：依赖相似聚合物网络化学、交联策略、溶胀行为、黏弹性恢复、导电性和生物界面相互作用的水凝胶系统，往往使用不同的词汇和性能指标进行比较。本综述的核心论点是，水凝胶生物墨水和可穿戴水凝胶传感界面不应仅被视为独立的应用特异性材料，而应作为由共享的结构–性能–功能关系调控的相关软生物医学平台进行评估。软骨导向的生物打印为水凝胶生物墨水设计提供了苛刻的案例，因为可打印配方必须同时支持挤出流动、挤出后恢复、形状保真度、营养扩散、力学完整性和细胞介导的基质沉积。可穿戴水凝胶生物传感器面临相关但应用特定的设计问题：必须维持汗液的生物标志物或组织间液的水合传输路径，在变形过程中保持软组织接触，并支持离子或电子信号转导，而不发生干燥、脱层或信号漂移。近期文献表明，水凝胶生物墨水与可穿戴水凝胶界面之间的界限正变得不那么明显。本综述通过将挤出生物打印水凝胶生物墨水和可穿戴水凝胶生物传感界面作为相关的水凝胶平台技术，解决了这一差距。
2. 水凝胶生物墨水与可穿戴生物传感界面的融合框架与基准策略
2.1 文献筛选、数据提取与基准策略
本综述采用针对性文献筛选策略，主要关注2019年至2026年间发表的同行评审研究。2018年至2026年的综述文章用于界定最新进展，而原始实验研究则优先用于数值基准比较。提取的数据分为六类：(ⅰ)流变学与可打印性；(ⅱ)凝胶化与结构稳定化；(ⅲ)溶胀、水合与传输；(ⅳ)力学与界面性能；(ⅴ)电学与传感性能；(ⅵ)生物学与操作稳定性。数值仅作为基准，当测量条件明确说明或可充分解释时。未报告的参数标记为未报告，而非推断。
2.2 跨领域融合框架
水凝胶生物墨水与可穿戴水凝胶传感界面趋于融合，因为两者都必须保持水合、力学稳定、可加工且在生物界面处功能正常。本综述使用的跨领域框架连接三个水凝胶设计层级：第一类为配方层级，包括聚合物类型、交联化学、填料掺入、生物活性组分及导电添加剂；第二类为加工响应层级，包括黏度、屈服应力、凝胶化、恢复、溶胀、保水性及力学顺应性；第三类为功能输出层级，包括丝材保真度、构建体稳定性、细胞存活率、分析物传输、黏附性、导电性、检测限及信号可靠性。该框架解释了为何单组分水凝胶在多功能应用中往往表现不佳。天然水凝胶可能支持细胞和水合但常缺乏力学强度或导电性；合成水凝胶改善可调性和重现性但可能需要生物功能化；混合和纳米复合水凝胶可将功能分布于多个相中。
3. 水凝胶生物墨水与可穿戴传感界面的共享性能要求
该部分比较了流变学、黏度与屈服应力控制的可打印性，黏弹性与凝胶动力学及剪切后结构恢复，溶胀、保水性与物质传输，力学鲁棒性、黏附与界面顺应性，导电性与信号转导，生物相容性与操作稳定性等参数作为共享设计变量而非孤立属性。
可打印水凝胶系统显示：海藻酸钠/羧甲基纤维素/ GelMA（Gelatin Methacryloyl）体系的表观剪切黏度为4.6–6.9 Pa·s，屈服应力132–155 Pa，储能模量G′为543–628 Pa，丝材直径210–220 μm，可打印性0.93–0.95。纳米黏土增强的PMeOx-b-PnPrOzi热凝胶达到屈服应力240 Pa和G′>5 kPa。CNF/NIPAM基可打印水凝胶界面黏度达264.1 Pa·s，G′为1684 Pa，优化打印条件下图案化水凝胶线宽精度低于720 μm。
在溶胀与传输方面，海藻酸钠–PVA（Poly(vinyl alcohol)）生物墨水的48 h溶胀比随PVA增加从226.7%降至115.1%。脂质整合双层涂层在静态和动态条件下分别保留49.3%和47.3%的水分。MeHA（Methacrylated Hyaluronic Acid）微针平台宽度在去离子水中30 s内增加72±6%，流体传输速率达4–5.5 μL·min
?1。
在力学方面，多巴胺偶联的HB–GD水凝胶韧性从47.0±2.7 kPa提高至158±3.2 kPa。亚400 nm有机水凝胶纳米薄膜电极达到392 nm厚度，超低弯曲刚度8.7×10
?11 N·m，可拉伸性166.3%应变，韧性3.0 MJ·m
?3，黏附365.8 μJ·cm
?2。
在导电性方面，GelMA/DF-PEG/CNT（Carbon Nanotube）双交联水凝胶在CNT负载高于4 wt%时电导率超过10
?2 S·m
?1。双连续导电聚合物水凝胶电导率超过11 S·cm
?1，可拉伸性超过400%，断裂韧性超过3,300 J·m
?2。PEDOT:PSS/HPU自供电传感器对汗液乳酸的线性范围为10 nM–50 NEQUIVALENT50 mM，检测限4.38 nM。
在生物相容性与稳定性方面，生物惰性热响应水凝胶中，Pluronic打印后24 h细胞存活率从86±8.1%降至40±9.3%。两性离子PDM水凝胶传感器30天后保留94.4%水分，10,000次循环后仍保持稳定。
3.6 共享性能窗口的跨领域解读
高性能水凝胶系统很少通过单一参数优化实现。流变学必须与细胞相容性平衡；溶胀必须与尺寸稳定性平衡；导电性必须与水合、力学顺应性和生物安全性平衡。基准图显示，大多数系统在某些指标上表现良好，但在其他指标上未报告或仅有限支持。
4. 水凝胶材料平台图谱：天然、合成、混合及纳米复合系统的关键比较
4.1 天然水凝胶
4.1.1 GelMA（明胶甲基丙烯酰基）
GelMA是组织修复的主要水凝胶平台，因其甲基丙烯酰化明胶骨架结合了光交联可加工性与细胞黏附基序和基质重塑潜力。近期应用包括GelMA/丝素蛋白互穿生物墨水用于软骨工程，鱼皮来源GelMA生物墨水作为可打印皮肤替代平台，以及用于医疗可穿戴的微结构化GelMA触觉传感器。
4.1.2 海藻酸钠
海藻酸钠因温和离子凝胶化可实现快速稳定化和细胞相容性加工而具吸引力。其弱点是离子交联网络通常力学弱、黏附性差且电学惰性。在软骨生物打印中，透明质酸/海藻酸盐水凝胶显示海藻酸钠可提供可打印性和结构支撑。在生物传感中，海藻酸钠提供水合、可渗透且生物相容的基质，但很少单独提供稳定电化学性能。
4.1.3 胶原蛋白
胶原蛋白提供强生物学相关性，支持细胞黏附、铺展、迁移和重塑。甲基丙烯酰化胶原蛋白生物活性墨水含生物玻璃可改善结构稳定性和成骨功能。胶原蛋白也通过导电和多功能有机水凝胶设计被适配于可穿戴传感。
4.1.4 透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）
透明质酸在保留水合组织样行为、支持细胞信号传导和维持再生 permissive 微环境方面特别具有吸引力。研究包括用于间充质基质细胞软骨分化的双阶段交联HA生物墨水，以及用于3D生物打印人干细胞来源角膜基质模型的HA配方。
4.1.5 丝素蛋白（Silk Fibroin）
丝素蛋白在需要长期结构完整性或承受重复湿机械加载时具有吸引力。光固化GelMA/SF互穿生物墨水显示SF改善了压缩力学和失效抗性。在可穿戴方面，SF/PAM/PDA/GO纳米复合水凝胶传感器可用于监测身体运动和心电信号。
4.1.6 壳聚糖
壳聚糖对黏附性、抗菌性、pH响应性和酶宿主界面特别有价值，但其溶解度和pH依赖性加工可能使中性生理配方复杂化。FRESH（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）生物打印显著改善了热敏性可生物降解壳聚糖水凝胶的可打印性。
4.2 合成水凝胶
合成水凝胶提供化学定义、批次重现性和性能可调性，特别有价值于需要同时工程化多个功能轴时。
4.2.1 聚乙二醇（Poly(ethylene glycol), PEG）
PEG基水凝胶因高组成控制、低非特异性吸附、可调交联化学而受重视。在生物打印中，PEG及其衍生物作为网络调节剂调节凝胶化、刚度、降解和打印窗口稳定性。在可穿戴传感中，PEGDA–PEDOT:PSS导电水凝胶电极已用于可穿戴格式的生物信号采集。
4.2.2 聚乙烯醇（PVA）
PVA在需要韧性、弹性、保水性和物理或化学可调网络形成时特别有用。可调海藻酸钠–PVA生物墨水用于软骨组织工程挤出打印。在可穿戴传感中，PVA/BTCA/β-CD/GOx/AuNPs NF透明电纺水凝胶皮肤贴片用于葡萄糖传感，PVA/PAM/MXene超分子水凝胶贴片用于连续无创血糖监测。
4.2.3 聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）
PNIPAM基水凝胶引入温度响应行为。其低临界溶液温度接近生理温度，这种热响应性在不同操作环境中可能是有利的或成问题的。应用包括用于组织工程的PNIPAM基构建体，以及PEDOT:PSS/PNIPAM导电水凝胶可穿戴呼吸传感器。
4.2.4 两性离子合成水凝胶
两性离子水凝胶包含带电但整体净中性的基团，可实现强水结合、抑制非特异性吸附、改善润滑和抗生物污损行为。在软骨工程中，两性离子颗粒水凝胶作为可注射、自愈合、原位交联平台用于直接细胞封装和软骨形成。在传感方面，减溶胀导电两性离子水凝胶酶膜用于构建柔性葡萄糖生物传感器。
4.3 混合与纳米复合水凝胶
4.3.1 石墨烯和CNT基水凝胶
石墨烯和CNT（碳纳米管）基水凝胶可同时改善导电性、机械增强、润滑和界面鲁棒性。在软骨导向系统中，氧化石墨烯掺杂的结冷胶/PEGDA双层水凝胶模拟浅层和深层关节软骨区域。在可穿戴设备中，凝胶电解质石墨烯晶体管与AuNP/rGO纳米复合材料用于非侵入性皮肤葡萄糖传感。
4.3.2 MXene
MXene可强化软网络而不破坏柔软性，同时在弯曲、应变和重复接触下实现稳定的离子/电子传输。3D打印MXene混合水凝胶展示了多模态传感架构的可打印性。MXene/PU自供电电化学传感器实现了运动期间的非侵入性汗液乳酸检测。
4.3.3 纳米黏土水凝胶
纳米黏土主要通过流变学架构而非电学功能发挥作用。Pluronic–纳米黏土支撑浴含钙离子可改善复杂细胞负载海藻酸结构的打印。纳米黏土增强的自黏附可穿戴电生理电极显示纳米硅酸盐可改善湿黏附、灵敏度和长期信号稳定性。
4.3.4 矿物颗粒填充水凝胶
矿物生物活性颗粒填充水凝胶主要用于提供生物活性、压缩增强、区域刚度和骨软骨相关性。纳米羟基磷灰石增强壳聚糖复合水凝胶将压缩强度提高至约1.62 MPa。双相磷酸钙（BCP）核和GelMA壳的核壳支架系统用于软骨-骨整合修复。
5. 制造与集成策略
5.1 挤出生物打印
挤出生物打印逐层沉积连续细胞负载水凝胶丝材，实现大型水合构建体、生物学相关细胞密度、分阶段凝胶化、多材料沉积和图案化生物或电学功能。主要限制是需要平衡剪切诱导流动与快速挤出后恢复。
5.2 可穿戴贴片与薄膜制造
可穿戴贴片和薄膜制造将水凝胶转化为皮肤界面生物传感平台。常见方法包括浇铸、模塑、涂覆、刮刀涂布、旋涂、层压、转移印刷、激光切割和软光刻等。定量研究中，皮肤可印刷明胶水凝胶生物电极达到0.9 N·cm
?1的水凝胶/皮肤黏附力和2.6 N·cm
?1的水凝胶/电极黏附力，在80 min日常活动中稳定记录心电信号。水凝胶电子纹身使用20 μm导电水凝胶层和31 kPa模量，保水25 h，皮肤界面阻抗降低234%，信噪比提高高达19 dB。
5.3 水凝胶微针集成
水凝胶微针将软水凝胶转化为微创透皮界面，用于组织间液获取、分析物采样和生物传感。制造路线包括 replica 模塑、光固化、干燥辅助固化、DLP（Digital Light Processing）成型和多层层压。GelMA/PVA螺旋微针达到560±79.6%溶胀，5 min内提取6.41±1.01 mg组织间液。
5.4 多材料和嵌入式生物电子制造
多材料和嵌入式生物电子制造将水凝胶从独立支架、贴片或微针转化为集成传感、刺激、黏附、运输和组织/设备界面的功能系统。离子-电子双层水凝胶实现皮肤乳酸和胆固醇检测，检测限分别为0.51和0.26 nmol·cm
?2，运动伪影降低三倍。PAAS–MXene水凝胶界面在5 s内凝胶化，用于主动脑电记录。
6. 传感、刺激和治疗融合的趋同水凝胶架构
6.1 传感化组织支架
传感化组织支架通过将导电、电活性或生化传感元素纳入基质，使构建体在支持组织生长的同时实现局部监测。PEDOT压阻有机水凝胶网络与肌肉细胞负载生物墨水共打印，显示100%应变下应变系数为0.7，可检测约3%的低应变。传感化颗粒水凝胶支架含PEDOT、Zn
2+辅助离子传导、焦耳加热能力和营养负载微片段，在闭环控制下100 s内将温度稳定至37°C，在理想培养箱外支持细胞存活长达24 h。
6.2 皮肤水凝胶界面
皮肤水凝胶界面形成软、水合、力学顺应且信号允许的皮肤与外部传感设备之间的接触层。PAA/PT-DA/rGO-PDA/Fe
3+导电水凝胶达到2000%拉伸性，约94%自愈合恢复（5 s内），85 kPa皮肤黏附力，0.56 S·m
?1导电率，应变系数14.6，响应时间169–198 ms，150次以上循环和300次以上附着-分离循环后保持重复性。生物黏附水凝胶耦合微型超声换能器实现30.7 W·cm
?2声强和1.92 MPa声压，35天黏附维持0.961 N·cm
?1，28天神经调控。
6.3 微针和组织间液系统
微针和组织间液系统提供 minimally invasive 的皮下的生化信息获取途径。纸质SGR/MCC微针阵列葡萄糖传感器使用5×5微针阵列，300 μm基底直径，1 mm高度，1000 μm间距，1–3 N每针失效阈值，0.3 V安培测量电压，2–15 mM葡萄糖线性范围，体内监测2.5 h相对误差多数时间点<1%。
6.4 可打印生物电子和治疗混合体
可打印生物电子和治疗混合体不仅支持传感，还实现刺激、驱动、药物释放、抗菌活性或治疗反馈。3D打印柔性导电水凝胶平台具有双应变传感和比色汗液乳酸传感功能，汗液乳酸检测范围0–25 mM。Fe
3O
4@SiO
2/Schiff碱/Cu(II)纳米颗粒增强的海藻酸盐水凝胶薄膜用于糖尿病伤口愈合。
7. 未来方向与转化挑战
7.1 标准化跨领域基准测试
跨领域基准测试应取代孤立的应用指标。共享报告应包括配方、聚合物和填料浓度、交联路线、凝胶化时间、溶胀、保水性、韧性或拉伸性、分析物扩散、细胞相容性、皮肤相容性和操作稳定性。
7.2 真实操作条件下的长期稳定性
长期稳定性仍是主要转化障碍。PVA/TOCNF/MXene/硼砂水凝胶在38°C和52% RH下6 h后保留>94%水分，4°C和30% RH下35天稳定。未来研究应超越短期概念验证，包括应用样稳定性评估。
7.3 制造可扩展性与批次间重现性
可扩展水凝胶制造在实验室配方控制无法转移至更大批量时失败。批次重现性应从性能输出判断，而非仅组成。SGR/MCC微针平台提供有用模型：3D打印母模双次浇铸，405 nm UV固化，喷绘石墨烯电极，可重复的5×5几何结构。
7.4 灭菌、储存与包装
灭菌应作为材料加工步骤而非最终行政步骤。蒸汽灭菌可能改变水合、模量、链结构和交联密度。γ射线、X射线和电子束灭菌可能诱导链断裂、氧化和填料表面变化。环氧乙烷适合温度敏感装置，但需验证残留和脱气。灭菌后测试应比较处理前后的黏度、凝胶化时间、溶胀、模量、导电率、细胞相容性和传感器校准。
7.5 安全性、生物相容性与监管转化
监管路线取决于预期功能、接触持续时间、接触途径和活性成分。设备专用水凝胶需要设计控制、风险管理、验证制造、生物学评估、灭菌验证、包装数据、货架期数据和性能验证。药物释放、细胞包含、生物负载或软件控制系统可能成为组合产品，需要额外的剂量控制、释放动力学、细胞来源、效价、软件验证、网络安全和人为因素证据。
7.6 迈向闭环水凝胶平台
长期发展方向是闭环或半闭环水凝胶平台，不仅支持组织形成或收集生理信号，还能通过刺激、药物释放、驱动、水合控制或适应性重塑作出响应。关键实例显示可行性而非临床就绪性：PEDOT有机水凝胶支架检测约3%应变；颗粒水凝胶支架100 s内稳定37°C；水凝胶耦合超声维持35天黏附和28天神经调控；微针设备连接一次性传感贴片与可重复使用电子设备和移动读数。闭环转化受限于传感精度、响应时间、功率稳定性、信号处理和剂量控制的耦合验证。
