电子皮肤（e-skin）在健康监测和人机交互中具有重要应用潜力。然而，传统材料常因生物相容性差以及与生物组织的机械不匹配而受限。胶原蛋白及其衍生物作为天然衍生生物聚合物，因其卓越的生物相容性、可调控的生物降解性、与人体皮肤高度匹配的力学性能以及丰富细胞识别基序赋予的生物活性，已成为构建高性能电子皮肤的理想基体。本综述系统介绍了胶原蛋白衍生电子皮肤（CDE-Skins）的仿生设计原理和先进制备策略，包括结构仿生、多样化制造技术和导电功能化。进一步研究了其在多模态传感（如触觉、温度、湿度和生化传感）中的性能与潜在机制，阐明了高灵敏度和稳定信号响应的来源。文章还重点介绍了在个性化远程健康监测、伤口防护与治疗以及人机远程操作中的代表性应用。同时，概述了当前挑战并展望了未来研究方向。本工作旨在为推进生物相容性电子皮肤技术的创新和加速实际转化提供全面的理论基础。
1 引言
电子皮肤（e-skin）是一类新型柔性电子系统，旨在模拟人体皮肤的感知能力，实现对外部刺激（压力、温度、湿度、化学信号）的高精度自适应检测。柔性电子、生物材料和人工智能的协同整合使e-skin超越了基本机械感知，向多功能集成、仿生交互和生物集成发展，在个性化医疗监测、智能假肢感官反馈、软体机器人环境感知及增强现实人机界面等前沿领域具有重要前景。然而，传统材料如合成聚合物（聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺）和金属/无机半导体存在生物相容性差、不可降解、机械不匹配等问题，限制了其在生物医学中的应用。胶原蛋白作为一种天然生物聚合物，具有独特层次结构和可调功能，被认为是下一代高性能e-skin的理想候选。胶原蛋白具备优异生物相容性、可控降解性、与皮肤匹配的柔韧弹性，且富含细胞识别基序，能促进细胞粘附、迁移和增殖，还可作为生长因子等载体，实现感知与组织修复协同。与丝素蛋白、海藻酸盐、壳聚糖等其他生物聚合物相比，胶原蛋白在生物相容性、力学匹配、生物活性和加工性之间实现了独特平衡。加工过程中胶原蛋白可能部分变性形成明胶或衍生物，其力学和生物活性有所变化。通过酶解脱端肽和超滤分级可降低免疫原性，重组胶原蛋白可规避免疫反应。CDE-Skins研究从概念原型发展到功能器件，再到智能集成系统。早期利用胶原蛋白固定生物识别元件构建电化学生物传感器；21世纪转向物理传感，如基于再生胶原膜和银纳米线的压阻式压力传感器；近期聚焦系统集成，如基于明胶和Fe
3+的多动态交联网络水凝胶电子皮肤，兼具高灵敏度应变传感、自修复和可降解性。未来可借助皮革的层次纤维结构实现长期佩戴舒适性，并通过小型化集成实现多模态传感。
2 CDE-Skins的仿生设计与制备策略
2.1 模仿天然原型的结构与力学
2.1.1 表皮结构
受真皮结构启发，将胶原蛋白引入化学交联的聚丙烯酰胺网络，制备了自粘附且耐温的水凝胶e-skin，其类真皮胶原-弹性蛋白网络赋予环境稳定性和超高灵敏度（应变系数GF=10.70）。受真皮乳头结构启发，以聚偏氟乙烯纳米纤维为负摩擦层、胶原纳米纤维为正摩擦层，构建了全纳米纤维多层e-skin，仿生珠串结构增大接触面积，实现高灵敏度（0.32 V·kPa
-1）和高功率密度（81 mW·m
-2）。受自然皮肤层状模型启发，以多功能胶原聚集体为基底，通过两步组装制备多层3D网络柔性传感器，实现多维应变识别，压缩灵敏度GF=5.20，弯曲GF=9.20，响应时间110 ms。此外，采用冻融循环法制备了以明胶为刚性网络的全物理交联双网络水凝胶e-skin，实现宽应变响应和高灵敏度。
2.1.2 动物结构
受蜘蛛网和蚂蚁触角启发，以胶原聚集纳米纤维为核心材料制备多层全纳米纤维e-skin，蜘蛛网结构提高压力灵敏度（0.48 V·kPa
-1），蚂蚁触角仿生结构通过毛细作用促进水分子扩散，实现宽湿度范围内快速响应（25–85% RH）。受章鱼吸盘和变色龙皮肤双重启发，构建明胶基双网络e-skin，吸盘仿生结构实现光热触发可逆粘附（>25 kPa），变色龙仿生反蛋白石结构实现可视化比色传感。受蜘蛛裂隙器官和变色龙皮肤启发，开发明胶基光电双信号e-skin，光子晶体层实现全可见光谱颜色变化，微裂纹导电层提供超高应变灵敏度（GF高达191.80）和快速响应（43 ms）。
2.1.3 工程结构
采用胶原纤维、明胶和聚乙烯醇构建基体框架，结合导电组分制备具有表面突触和内层纤维结构的多功能有机水凝胶e-skin，突触结构增强触觉感知，内层纤维网络与氢键协同耗散应力，赋予优异力学性能（拉伸强度0.72 MPa，断裂伸长率270%，韧性0.86 MJ·m
-3），低压区灵敏度GF=4.26。通过调节氢键强度合成明胶/聚离子液体基纳米相分离水凝胶传感器，双连续相分离形态和多物理交联网络实现超高拉伸性（断裂伸长率4000%）、高韧性（断裂能5461.41 J·m
-2）和抗溶胀性。采用按需自上而下策略，以天然皮肤3D编织胶原纤维结构为支架负载导电聚吡咯，制成e-skin，底部保留3D网络，上层形成多孔皱褶形态，提供高拉伸强度（8.76 MPa）、宽弹性范围（0-180%）和优异导电性（6.3 S·m
-1）。此外，酵母发酵法制备孔径可调的明胶基水凝胶，集成聚苯胺和还原氧化石墨烯，构建超大孔结构柔性传感器。
2.2 CDE-Skins的先进制备策略
2.2.1 溶液加工
通过喷雾浸渍结合原位聚合法制备胶原纤维基柔性应变传感器，先在碳纤维上原位聚合聚吡咯层，再喷涂超导炭黑和疏水二氧化硅构建微纳粗糙表面，器件具高拉伸强度（59.9 MPa）、导电性（6.5 S·m
-1）、超双疏性（接触角>155°）、阻燃性及电磁干扰屏蔽效能（18.3 dB）。另一案例将明胶溶液与MXene搅拌制成均质油墨，喷涂于基底图案化，通过机械引导压缩屈曲构建3D折纸结构气体传感器，对50 ppm NH
3响应7%，检测限93.75 ppb，19天内完全降解。通过旋涂明胶水溶液（2000 rpm）在镀铜玻璃基底上形成300 nm薄膜，经光刻和二次旋涂制备电容式湿度传感器，灵敏度0.065 pF/%RH，吸附/解吸时间20 s/8 s。
2.2.2 静电纺丝
采用平行静电纺丝，用双轴纺丝头共加工含2,7-二溴-9-芴酮和炭黑的明胶溶液，形成高度取向的Janus型纳米带，经戊二醛交联12小时制得水凝胶阵列膜传感器，具超高导电各向异性（比值1.12×10
5）、强绿色荧光和应变灵敏度因子4.29。结合静电纺丝与原位聚合法构建三明治结构压阻传感器：先电纺聚(L-乳酸)-丝素蛋白-胶原纤维毡，再原位沉积聚吡咯导电层，最后层压封装，灵敏度24.13 kPa
-1，线性度R²=0.99。利用大面积静电纺丝将鱼明胶溶液纺成结构稳定纳米纤维，制成可穿戴自供电仿生e-skin，压电性能20 pm·V
-1，机械灵敏度0.8 V·kPa
-1，超108,000次循环和六个月连续使用后性能稳定。
2.2.3 冷冻干燥
采用共混浇铸-冷冻干燥法制备复合气凝胶压阻传感器：将胶原纤维与MXene等功能添加剂均匀分散，浇铸入模具后冷冻干燥构建多孔三维网络，灵敏度61.99 kPa
-1，响应/恢复时间0.30 s/0.15 s，检测限0.4 kPa，具可降解性和热稳定性。通过非共价交联明胶和羧甲基纤维素，均匀掺入炭黑后冷冻干燥获得蜂窝状多孔结构压阻压力传感器，灵敏度GF=12.50，宽应变范围0-140%，3000次循环后重复性优良。
2.2.4 3D生物打印
基于明胶，通过高精度直写打印、冻融循环和动态交联制备黏菌启发多功能导电水凝胶e-skin，可拉伸性1000%，导电性5 S·m
-1，可稳定监测人体运动、温度（10-60 ℃）和湿度（10-80%），并具自愈合和近红外响应性。将转谷氨酰胺酶与明胶/结冷胶油墨高速混合制成自支撑可打印糊状物，按预设路径在25 ℃打印天然生物凝胶柔性传感器，低杨氏模量20.7 kPa，高延展性270.5%，超快响应6.1 ms，灵敏度GF=2.37，数千次循环后耐久性优良。
2.3 CDE-Skins响应性导电材料筛选
2.3.1 电子导电材料
（1）金属材料：银包铜纳米颗粒掺入明胶基复合水凝胶e-skin，导电性1.35 S·m
-1，灵敏度GF=2.08。以天然山羊皮为胶原基质，采用自上而下策略，以纳米银颗粒为动态交联点，通过多重相互作用耗散应力，获得强度2.4 MPa、延性370%、韧性3.9 MJ·m
-3。含三苯基银系统的多功能胶原水凝胶e-skin具强抗菌活性，纳米银破坏细菌膜并干扰代谢，同时具丰富紫外吸收基团增强耐紫外性。
（2）碳材料：将氧化石墨烯和单壁碳纳米管掺入明胶/聚乙烯醇/氧化海藻酸钠三元体系，压缩模量增至42.2 kPa。模板降解法在热致相分离凝胶上沉积聚吡咯，掺入多壁碳纳米管使明胶基传感器导电性达11.4 mS·cm
-1，形成密集3D导电网络。
（3）导电聚合物：将PEDOT:PSS嵌入明胶基质，MTT试验显示5天后细胞存活率超111.3%。通过迈克尔加成将聚吡咯接枝到明胶主链，形成刚柔网络，拉伸强度1.44 MPa，韧性2581 kJ·m
-3。利用明胶和聚乙烯醇双网络掺杂BMIM-BF
4和PEDOT:PSS，构建杂化离子-电子导电水凝胶传感器，导电性7.64 S·m
-1，灵敏度GF=0.29（0-300%应变）。
2.3.2 离子导电材料
（1）金属盐：在明胶/聚(丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)双网络水凝胶中引入LiCl，拉伸强度160 kPa，伸长率1750%，最大压缩强度1109 kPa。通过温度诱导渗透自组装在胶原支架上负载含Na
+/Cl
-的有机水凝胶，离子导电性14.82 S·m
-1，灵敏度GF=16.64。以胶原纤维网络为支架，引入LiCl和水/乙二醇二元溶剂，LiCl与水分子强配位破坏氢键网络，降低体系凝固点。
（2）离子液体：将[BMIM]Cl和MXene掺入明胶/聚丙烯酰胺前驱体溶液，拉伸强度0.21 MPa（602.82%应变）。基于[EMIM]Cl的原位交联离子凝胶湿度传感器，在低湿范围（5-35% RH）灵敏度高。将离子液体修饰的金属有机框架整合入明胶基体，构建神经元启发自供电水凝胶e-skin。
3 CDE-Skins的多功能传感性能与机制
3.1 触觉传感
3.1.1 压阻传感：在胶原纤维支架中构建有机水凝胶双导电网络，应变下离子和电子通路扰动导致电阻变化，适用于运动监测、脉搏检测和压力分布分析。集成3D网络、多孔结构和屈曲结构的胶原基e-skin可检测压缩、拉伸、扭转和弯曲多种形变，传感机制源于应变引起的胶原基质纤维间距变化。
3.1.2 摩擦电传感：通过螺旋扭转和负泊松比结构设计，以胶原聚集体为正摩擦层，拉伸30%时输出电压1.2 V，100 kPa压力下0.5 V。将胶原聚集体泡沫嵌入壳结构，应变时外壳内缩、泡沫外扩改变接触面积，灵敏度0.60 V·kPa
-1（0-48 kPa）。将磺化石墨烯整合入皮革废料胶原纤维网络，体表不同部位响应时间各异，源于应变诱导界面微结构重构。
3.1.3 压电传感：基于食用猪皮明胶的双模超灵敏e-skin，压电系数24 pC·N
-1，灵敏度41 mV·Pa
-1，机制为压缩使明胶氢键网络中极化电子云重叠降低能垒。明胶纳米纤维基e-skin低压范围灵敏度0.8 V·kPa
-1，中压可达10 V。
3.1.4 电容传感：明胶基高拉伸e-skin（掺杂胆碱氯化物和乙二醇），外力改变介电层厚度和面积，电容线性增加（GF=0.50），灵敏度1% kPa
-1（<2 kPa）。在胶原纤维基底中引入1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐，离子定向迁移改变双电层厚度，灵敏度达5.37 kPa
-1（0-1.2 kPa）。
3.2 温度传感
3.2.1 热阻传感：明胶基有机水凝胶e-skin中，温度升高使明胶三螺旋结构解旋，离子迁移率增加，电流从56.4 μA升至59.2 μA（36.5-38.5 ℃）。旋涂NaCl和甘油至明胶基质的柔性温度传感器灵敏度2.47 ℃
-1，响应/恢复时间11 s/27 s。丝网印刷Ag/AgCl导电油墨的明胶基e-skin，电阻温度系数3.8%/℃，响应快速。
3.2.2 热电传感：明胶/聚丙烯酰胺双网络热电e-skin在10 K温差下开路电压从0升至59.2 mV。可降解明胶/甘油热电水凝胶温差从5 K增至25 K时，电压从3.35 mV升至14.79 mV。封装离子热电明胶复合物的多功能e-skin灵敏度0.818 mV·K
-1，可检测0.1 K温差。
3.3 湿度传感
3.3.1 电阻传感：以多价金属离子（Mn
2+、Fe
3+、Zr
4+）调控明胶交联密度，湿度升高使金属离子水合层增强，导电性增加，线性灵敏度0.022 RH
-1（20-80% RH）。动态交联明胶-聚乙烯醇基体分散导电纳米填料，在10-80% RH下强线性响应（R²=0.97）。Fe
3+离子浸渍明胶-聚乙烯醇水凝胶湿度传感器，在86.5% RH下稳定信号8.6%。
3.3.2 光纤类传感：在双芯光纤侧抛光涂覆明胶功能层，湿度影响明胶折射率，共振波长漂移，平均灵敏度7.01 nm/%RH（70-90% RH）。明胶薄膜涂覆空心光纤的防共振湿度传感器，在79.7-85.8% RH下灵敏度150.35 pm/%RH，响应时间0.193 s。明胶涂覆空心光纤端面的光纤湿度传感器，灵敏度0.192 nm/%RH（20-80% RH），响应/恢复时间240 ms/350 ms，机制为明胶吸湿膨胀改变法布里-珀罗干涉腔长。
3.4 生物传感
3.4.1 生理信号监测：将聚(甲基丙烯酸-co-丙烯酰胺)浸渍入羊皮框架的多功能有机凝胶e-skin，通过阻抗变化（GF=2.30）响应温湿度，直接捕获肌电和心电信号（心率70次/分）。聚苯乙烯磺酸盐嵌入明胶水凝胶的e-skin，导电性12.5 mS·cm
-1，实现应变-温度双模传感。海藻酸钠/明胶海绵电极与聚偏氟乙烯膜集成的多模态柔性传感器，灵敏度GF=2.36。山羊皮胶原纤维支架注入聚丙烯酰胺网络的有机水凝胶e-skin，实现应变、湿度（97% RH下导电性14.79 S/m）及温度传感，可用作生物电极记录肌电和心电。
3.4.2 生理生物标志物检测：将葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶封装在明胶水凝胶中，利用氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺的比色和光热效应及明胶凝胶-溶胶相变实现葡萄糖多模态检测。通过一锅法在明胶溶液中形成CdS量子点，催化H
2O
2还原产生电流响应。将胶原涂层CuO纳米线复合物集成微流控通道，基于摩擦电效应和胶原对血小板的识别，实现血小板计数传感。
3.5 超越传感的新兴功能
3.5.1 自愈合能力：基于动态可逆交联网络（席夫碱键、金属配位键、氢键）的胶原基有机水凝胶传感器，在25 ℃下自愈合效率100%，-24 ℃下88%。多组分动态共价网络（胶原/氧化透明质酸/丙烯酸/Zr
4+）的有机水凝胶e-skin，室温愈合效率80.3%，低温65.5%。
3.5.2 抗菌性能：超分子水凝胶e-skin（明胶/二醛环糊精/没食子酸/硼砂/夫西地酸）对金黄色葡萄球菌抑制率95%，大肠杆菌85%。明胶基水凝胶e-skin中锌离子破坏细菌膜，促进活性氧生成，实现高效抗菌。皮革基电子皮肤通过聚吡咯和羧基化多面体低聚倍半硅氧烷，电场改变细菌膜通透性并产生活性氧，抗菌效率99.5%。聚离子液体与天然皮革胶原纤维交联、原位聚合聚吡咯构建的电子皮肤，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌效率均超99%。
3.5.3 自供电功能：明胶复合水凝胶薄膜为活性层的自供电压力传感器，压力200 kPa下离子导电性增至0.023 S/m。天然山羊皮胶原纤维与聚丙烯酸/甘油构建的真皮仿生e-skin，经300 s连续运行和1500次接触分离循环后电压输出稳定。层叠静电纺丝的多层纳米结构胶原基e-skin，1×1 cm
2器件输出电压26 V，电流0.19 μA，峰值功率密度79.4 mW/m
2。
4 CDE-Skins在远程健康、治疗与遥操作中的应用
4.1 定制化远程健康监测
以天然皮革为基底、纳米碳材料为导电组分的柔性传感器，集成智能运动鞋，通过机器学习算法实现步态识别和跌倒监测（准确率0.99，延迟13 ms）。利用疏水相互作用，明胶/丙烯酰胺水凝胶传感器具优异抗冻性，用于滑雪者多部位运动监测，并实现紧急警报（如莫尔斯电码“SOS”）。以油鞣羊皮为基底、金属离子-碳纳米管配位络合构建的柔性导电传感器，用于水下运动监测和紧急救援，电流响应与水深正相关。明胶分散在甘油/水双溶剂共聚网络中的有机水凝胶e-skin，用于婴儿生理监测和危险预警，监测压力（0-40 kPa）提供窒息警报，检测发热和过度出汗。以沸石鞣羊皮天然3D胶原纤维网络为支架掺入乙二醇的有机凝胶e-skin，实时监测关节运动、面部微动、语音音节，并通过手指屈伸发送莫尔斯电码。明胶/甘油/聚丙烯酸水凝胶传感器（导电性3.25 S/m），通过电阻变化监测关节弯曲、打哈欠、咳嗽吞咽等生理信号。双溶剂共晶凝胶传感器可精确检测皱眉、微笑、关节运动及呼吸胸廓运动。山羊皮胶原框架嵌入银纳米颗粒的水凝胶e-skin，实现低、中、高幅度运动的分辨。
4.2 物理防护与治疗
鱼明胶和原位生成银纳米颗粒的水凝胶e-skin实时监测伤口拉伸和压缩，检测感染肿胀或皮下积液引起的张力异常。胶原/透明质酸/BTG纳米颗粒仿生水凝胶e-skin作为光伏敷料，光刺激下产生电信号，14天愈合率97.9%，促进胶原沉积和新生血管。多巴胺改性碳纳米管/明胶/丙烯酰胺水凝胶e-skin作为导电敷料，电刺激促进全层皮肤缺损修复。MXene/明胶导电光热水凝胶单电极摩擦电纳米发电机e-skin，结合近红外照射（2分钟内伤口从32 ℃升至45 ℃），加速愈合。柔性明胶气凝胶e-skin，其多孔结构反射阳光并透射红外辐射，覆盖区皮肤降温5 ℃，同时检测酒精和葡萄糖。疼痛感知e-skin（水热/磁控溅射/滴涂明胶溶液），压电膜感知机械刺激强度，忆阻器处理信号，三色LED模拟淤伤动态颜色变化。反蛋白石支架和负载血管内皮生长因子的明胶水凝胶高精度e-skin，电刺激加速抗菌肽和VEGF释放（效率87%），实现快速伤口愈合。
4.3 人机遥操作
明胶/氯化锂/β-甘油磷酸钠水凝胶传感器（导电性8.2 S/m，GF=4.1），附着于手指监测电压信号，通过WiFi无线传输，脉宽调制驱动伺服电机远程控制机械手实现复杂手势。皮革基离子凝胶e-skin（响应时间40 ms），集成手套指尖关节，精准识别复杂手势并驱动机械手。还原氧化石墨烯/银纳米线掺入超大孔明胶水凝胶的可穿戴柔性传感器，识别四种手势，映射至计算机命令远程控制俄罗斯方块游戏。以皮革为基底过滤导电纳米材料的应变传感器，机械手指安装四个传感器实现物体形状识别。明胶/聚乙烯醇双网络水凝胶e-skin（嵌入导电材料），安装于机器人手指，实时捕获屈伸运动，微控制器处理后控制机械臂，手势识别准确率≥93.3%。明胶/羟乙基纤维素/三氯硅烷涂层可穿戴传感器，手套指尖集成五个传感单元，人工神经网络处理多指信号，十种字母手语手势识别准确率96.15%。有机水凝胶e-skin（导电性5.25 S/m），附着前臂肌肉采集肌电信号，控制机械手完成握拳、伸指动作，机器学习识别手势并控制虚拟化身。明胶/聚吡咯/银导电增强水凝胶e-skin（GF=2.03），稳定记录肌电信号，机械臂根据信号实时再现动作（响应时间0.34 s）。
5 挑战与展望
CDE-Skins在长期稳定性、制造精度和多功能协同方面仍面临挑战。胶原衍生物在多物理场条件下可能韧性有限，多模态耦合下高保真信号解耦是技术难题，在单一平台平衡灵敏度、力学稳健性和生物活性仍是根本设计挑战。此外，胶原的生物降解性虽有利于可持续性和临时植入，但体内易被基质金属蛋白酶等酶降解，影响长期稳定性。未来应优先：（1）通过动态交联和纳米复合改性增强胶原力学强度、环境稳定性和生物活性，可控调节降解行为；（2）构建“感知-反馈-治疗”闭环系统，解决复杂生物环境中的信号串扰，开发低阻抗、高长期稳定性的胶原生物界面；（3）采用自适应机器学习算法实现低幅非平稳生理信号的实时准确识别和漂移补偿；（4）针对不同场景（如可吸收植入器件、高精度人机界面）定制优化CDE-Skins。
6 总结
本综述系统考察了CDE-Skins的最新进展，突出其在生物相容性、力学匹配和固有生物活性方面的独特优势。通过仿生设计（来自表皮、动物和工程结构）和先进制造（静电纺丝、冷冻干燥、3D生物打印），CDE-Skins实现精确结构控制和性能增强。电子和离子导电材料的集成实现了多模态传感（触觉、温度、湿度、生化）。超越传感，CDE-Skins还展现出自我修复、抗菌和自供电等功能。应用涵盖定制远程健康监测、物理防护与治疗及人机遥操作。尽管进展显著，但长期稳定性、信号解耦和多功能平衡仍存挑战。未来应聚焦动态材料设计、集成治疗系统、智能信号处理和场景特定优化，加速CDE-Skins从实验室创新向实用生物集成智能系统的转化。
