综述：功能性淀粉基导电水凝胶在柔性电子器件中的设计、构建与应用

这篇综述系统阐述了淀粉基导电水凝胶（Starch-Based Conductive Hydrogel）在柔性电子领域的创新应用，重点分析了其通过金属纳米材料（如Cu/Zn）、碳基材料（GO）、MXene、导电聚合物（PEDOT:PSS）和自由离子五种策略赋予导电性的机制，并探讨了在可穿戴传感器（Wearable Sensors）、超级电容器（Supercapacitors）和生物医学工程中的多功能集成设计，为开发绿色可持续的柔性电子材料提供了重要参考。

　　

引言

近年来，柔性导电水凝胶因其独特的信号转导特性和与生物软组织相似的结构，在可穿戴设备、人机交互和植入式医疗等领域展现出巨大潜力。然而，传统水凝胶存在机械脆性、界面粘附弱和生物降解性不足等瓶颈。淀粉作为天然多糖，凭借可加工性、生物相容性和可再生性，成为解决这些问题的理想候选材料。

淀粉基材料的研究现状

淀粉由直链淀粉（Amylose）和支链淀粉（Amylopectin）组成，其比例直接影响材料的理化性质。例如，支链淀粉丰富的羟基使其易形成可逆交联网络，而直链淀粉则因分子结构开放导致机械性能较弱。通过光谱融合技术可精准量化两者比例，为材料设计提供依据。淀粉在食品包装、3D打印和止血材料中已有广泛应用，而其与导电组分的复合进一步拓展至电活性系统领域。

水凝胶的合成方法

物理交联

通过氢键、静电作用等非共价力构建的动态网络赋予水凝胶自修复和可拉伸性。例如，聚乙烯醇（PVA）/羟丙基纤维素（HPC）水凝胶通过盐浓度调节实现3.4 S/m的电导率，适用于人工神经模拟。

化学交联

自由基聚合（如APS引发）和光引发（如蓝光触发）可增强机械强度。液态金属微滴（LM）催化合成的凝胶在1分钟内完成聚合，并具备光响应弯曲特性。

自交联

无引发剂策略如可见光引发磺基甜菜碱（SBMA）聚合，减少炎症反应达62%，适用于免疫调节治疗。

淀粉基导电水凝胶的制备

金属纳米材料复合

铜-没食子酸纳米球（CGC NPs）与淀粉复合后，近红外照射下对大肠杆菌（E. coli）的杀菌率达98.1%，同时加速伤口愈合。金属有机框架（MOF）与玉米淀粉（CS）复合凝胶可检测0.28 μM的四环素残留。

碳纳米材料复合

氧化石墨烯（GO）与淀粉/PNB通过物理交联形成自修复凝胶，对铜的粘附力达60.5 MPa。短碳纤维增强的3D打印凝胶可实现多维度应变识别。

MXene复合

Ti₃C₂T_x与阳离子淀粉构建的波纹纸结构凝胶，在-80°C仍保持2700%的拉伸率，适用于极端环境传感器。

导电聚合物复合

PEDOT:PSS与氧化淀粉（OS）通过动态亚胺键交联，制成4.19 S/m的导电“神经绷带”，促进神经再生。

自由离子体系

乙酰化二淀粉磷酸酯（ADSP）与Na⁺结合的凝胶兼具抗菌性和1.25 mS/cm的电导率，适用于表皮传感。

应用进展

柔性传感器

液态金属嵌入的淀粉凝胶伸长率突破7100%，且具备无线医疗传感功能。荧光墨水转印技术实现关节运动的双模（电/光）监测。

超级电容器

淀粉/PVA有机凝胶电解质（SPDC）在-39.8°C不冻结，能量密度达16.8 Wh kg^?1。玉米叶活性炭（CLAC）与淀粉组装的器件循环稳定性超过10,000次。

电池

淀粉-碘复合凝胶通过羟基锚定多碘化物，使锌-碘电池循环寿命延长至2000次。

生物医学工程

胶原-淀粉（CoSt）水凝胶实现62 kPa的组织粘附力，并可通过动态二硫键自修复氧化损伤。

挑战与展望

当前需解决机械强度（如通过双网络设计）、规模化生产（如AI优化工艺）和降解可控性（如代谢产物验证）等难题。未来方向包括：

1. 智能传感设备：结合MXene量子点与AI反馈机制；

2. 闭环能源系统：开发生命周期评估（LCA）兼容材料；

3. 跨行业标准联盟：推动医疗-电子协同认证。

   淀粉基水凝胶的绿色属性与功能可调性，将为可持续电子器件发展提供新范式。