苏州纳米所张珽团队：生物组织启发的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子

苏州纳米所张珽团队：生物组织启发的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子

苏州纳米所张珽团队开发了一种新型超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子材料。这种材料通过将电纺纤维网络嵌入水凝胶中制备而成，具有广泛的可调模量（从<5 kPa到几十MPa），能够与大多数生物组织和器官的模量相匹配。其超薄结构和超柔软特性使其能够无缝附着在各种粗糙表面上，是构建贴附型生物电子器件的理想材料。

研究背景

该研究开发了一种新策略，通过将电纺纤维网络嵌入水凝胶中从而实现同时具有超薄结构和优异力学性能的复合水凝胶薄膜（< 5 μm）的构建。纤维复合水凝胶提供了广泛的可调模量（从 < 5 kPa 到几十 MPa），这与大多数生物组织和器官的模量相匹配。超薄的结构和超柔软特性使电纺纤维复合水凝胶能够无缝附着在各种粗糙表面上，是构建贴附型生物电子器件的理想材料。

本文亮点

1. 该研究开发了一种新策略，通过将电纺纤维网络嵌入水凝胶中来构建超薄微纤维复合水凝胶薄膜（< 5 μm）
2. 超细纤维复合水凝胶提供了广泛的可调模量（从 ~ 5 kPa 到几十 MPa），这与大多数生物组织和器官的模量相匹配。
3. 超薄的结构和超柔软特性使超细纤维复合水凝胶能够无缝附着在各种粗糙表面。

研究内容

纤维复合水凝胶设计和制备

纤维复合水凝胶薄膜基于静电纺丝、旋涂和冻融联合技术构建（图1）。通过调控静电纺丝时间、旋涂速率和冻融次数，实现对纤维复合水凝胶薄膜理化性质的调控（厚度：5微米到毫米；模量：几千帕到几十兆帕）。例如，增加纺丝时间可显著提高纤维复合水凝胶薄膜的力学性能；提高旋涂速率，有利于降低纤维复合水凝胶薄膜的厚度；增加冻融次数，可提高水凝胶自身的模量。纤维复合水凝胶具有优异的力学强度，一片厚度仅为7微米水凝胶薄膜可轻松托起20g重量的物体。此外，包埋的纤维网络可有效抑制应力集中导致的裂纹扩增，赋予纤维复合水凝胶薄膜优异的抗撕裂性能（图2）。

图1. 纤维复合水凝胶设计和制备。a)生物组织和纤维复合水凝胶结构示意图；b)纤维复合水凝胶制备程序示意图；c)PU纤维和PVA分子链SEM图；d)PU纤维包埋于PVA分子结构示意图；e)纤维复合水凝胶无缝贴附于人体皮肤。

图2. 纤维复合水凝胶薄膜力学性能。a)不同冻融次数处理的PVA水凝胶拉伸曲线；b)不同纺丝时间制备的纤维网络光学显微镜图片；c)不同纺丝时间纤维复合水凝胶拉伸曲线；d)纤维复合水凝胶厚度随旋涂速率变化的示意图；e) 纤维复合水凝胶厚度随旋涂速率变化；f)不同旋涂速率的纤维复合水凝胶拉伸曲线；g) 纤维复合水凝胶抗撕裂机制；h)不同拉伸应变下的带有缺口的纤维复合水凝胶；i)纤维复合水凝胶和纯PVA水凝胶拉伸应变最大值对比。

纤维复合水凝胶的力学性质

常规的水凝胶材料具有容易失水的缺点，长期暴露于空气中时，由于体系水分的蒸发从而使水凝胶体系失效。该研究通过在纤维复合水凝胶体系中掺入甘油作为保水剂，使复合水凝胶体系具有优异的抗失水性能。暴露于空气中七天后，仍具备优异的柔性。此外，为了改善纤维复合水凝胶的导电性，甘油/NaCl体系使纤维复合水凝胶在空气中维持长期的高导电性能（图3）。

图3. 纤维复合水凝胶薄膜抗失水性能。a) 甘油/NaCl体系纤维复合水凝胶结构和成分示意图；b) PVA/MF/Gly-CH和PVA/MF -CH纤维复合水凝胶质量变化c) PVA/MF/Gly-CH和PVA/MF -CH纤维复合水凝胶长期放在空气中柔性的变化；d) PVA/MF/Gly-CH和PVA/MF -CH纤维复合水凝胶长期放在空气中厚度的变化；e)不同甘油/NaCl体系纤维复合水凝胶长期放置于空气中阻抗图谱；f) 不同甘油/NaCl体系纤维复合水凝胶拉伸曲线。

柔性和共形性广泛可调

得益于其超软和超薄的特性，纤维复合水凝胶薄膜可实现对各种不同粗糙表面的无缝贴附。其广泛可调的力学性能，几乎可实现对所有生物软组织（例如脑，肝脏，心脏，肺，心脏和皮肤等）模量的完美匹配，可伴随组织产生形变而不损伤组织，是构建柔性生物电子器件的理想材料（图4）。

图4. 纤维复合水凝胶薄膜的柔性和贴附性能。a)贴附纤维复合水凝胶和PET的人造皮革表面粗糙度；b) 贴附纤维复合水凝胶和PET的人体皮肤的数码照片；c)褶皱机理示意图；d)完全直径方法评价薄膜柔软性的示意图；e)不同薄膜弯曲直径图片；f)不同薄膜弯曲直径对比图；g) 纤维复合水凝胶的杨氏模量和厚度对比图；h)纤维复合水凝胶与各种生物组织和器官模量匹配图；i)基于纤维复合水凝胶构建的生物电极贴附于猪心脏表面照片。

EMG生物信号监测

基于甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶构建的贴附型生物电极具有比商业凝胶电极更加优异的信噪比和长期使用性能。商用凝胶电极长期（48h）暴露于空气中会由于失水从而丧失性能，甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶电极在7天后仍旧保持良好信噪比，实现对人体肌电信号的采集。甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶电极用于检测人体肌电信号，可实现对不同运动姿势和不同运动强度肌肉电信号的监测（图5）。

图5. 纤维复合水凝胶电极用于EMG信号监测。a)EMG信号监测等效电路示意图；b) 纤维复合水凝胶电极和商用电极EMG信号对比；c) 纤维复合水凝胶电极和商用电极EMG基线对比；d) 纤维复合水凝胶电极和商用电极EMG信号长期(48h)监测对比；e) 纤维复合水凝胶电极EMG信号7天监测信号图谱；f)不同手势下的前臂EMG信号；g)不同握力下的前臂EMG信号；h)举起不同质量物体肱二头肌EMG信号；i)基于纤维复合水凝胶构建的三电极系统；j) 基于纤维复合水凝胶构建的三电极系统贴附于人体皮肤图片；k) 基于纤维复合水凝胶构建的三电极系统用于EMG信号监测。

作者简介

高强
本文第一作者
中科院苏州纳米所 博士后
主要研究领域
电纺纤维柔性电子器件。
主要研究成果
受国家留学基金委(CSC)资助到德国拜罗伊特大学(高分子科学与工程专业世界排名第十，德国排名第一)攻读博士(2018.01 – 2022.01)，师从高分子材料领域著名学者Andreas Greiner教授。其研究方向聚焦于电纺纤维柔性电子器件，在Prog. Mater. Sci., Nano-Micro Letters, Adv. Funct. Mater.和ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高水平期刊发表论文10余篇，其有关成果已被国内外报道和多次引用。

张珽
本文通讯作者
中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 研究员
主要研究领域
纳米智能材料、柔性电子、仿生智能传感技术、类脑芯片技术、可穿戴智能系统领域。
主要研究成果
中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师，纳米所学术委员会副主任，创新实验室(i-Lab)研究部主任，Nano-X纳米真空互联实验站主任。2021年国家自然科学基金杰出青年基金获得者。成功研制了达到实用水平的多量程、高性能仿生柔性微纳传感器，在业界得到广泛应用。先后承担国家自然基金重大研究计划、科技部重点研发计划、中科院战略先导专项等项目，在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Acc. Chem. Res., JACS、ACS Nano, Nano Letters, Biosens. Bioelectron.和 Anal. Chem.等学术期刊上发表学术论文100余篇，撰写专著5章，申请中国发明专利50余项，PCT国际发明专利3项，其中多项发明专利已成功许可和产业转化。研究成果引起领域内同行高度关注，近五年应邀在纳米科技、柔性电子学、智能传感技术、可穿戴智能技术等学术会议作邀请报告40余次，并多次担任国际国内会议主席和组织委员等。

本文原文来自Nano-Micro Letters