周赟磊團(tuán)隊(duì)NC：可拉伸電子纖維集成制造，解鎖多模態(tài)傳感新可能

在柔性生物電子器件領(lǐng)域，一維（1D）結(jié)構(gòu)因能與柔軟生物組織共形貼合、實(shí)現(xiàn)高效電荷傳輸，成為穿戴醫(yī)療、微創(chuàng)診療的研究熱點(diǎn)。液態(tài)金屬雖憑借高拉伸性、導(dǎo)電性和生物相容性成為理想導(dǎo)電材料，卻因高表面張力、生理環(huán)境下易降解的短板，難以規(guī)模化制備和實(shí)際應(yīng)用。

近日，西安電子科技大學(xué)杭州研究院周赟磊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)黃永安教授團(tuán)隊(duì)提出全新溶液沉積制備策略，成功研發(fā)出兼具可擴(kuò)展性、高導(dǎo)電性和電化學(xué)穩(wěn)定性的可拉伸 1D 液態(tài)金屬生物電子纖維，破解了傳統(tǒng)液態(tài)金屬器件的核心難題。

這項(xiàng)研究成果以《Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation》為題發(fā)表在Nature Communications。團(tuán)隊(duì)圍繞液態(tài)金屬纖維的制備、性能優(yōu)化和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用展開系統(tǒng)研究，制得的器件在電生理監(jiān)測、在體神經(jīng)刺激、無線能量傳輸?shù)葓鼍爸斜憩F(xiàn)優(yōu)異，為下一代生物電子器件發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)首先直面?zhèn)鹘y(tǒng)液態(tài)金屬 1D 器件的兩大核心痛點(diǎn)：一是高表面張力導(dǎo)致其難以與彈性聚合物均勻結(jié)合，現(xiàn)有注塑、熱拉制方法還存在纖維尺寸受限（最小直徑 250μm）的問題；二是液態(tài)金屬在生理液中易與水、陰離子反應(yīng)，無法直接與生物組織界面接觸，長期植入穩(wěn)定性差。為攻克這些問題，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了逐層化學(xué)溶液沉積制備策略，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬在超細(xì)可拉伸纖維表面的均勻粘附，突破了現(xiàn)有制備方法的尺寸限制，制得的纖維直徑可小至 50-100μm。

該制備工藝以聚氨酯（PU）纖維為柔性芯層，先通過多巴胺自聚形成聚多巴胺（PDA）層，為銀納米顆粒（AgNP）沉積提供活性位點(diǎn)，再通過化學(xué)沉積形成銅（Cu）層；利用銅與液態(tài)金屬在稀鹽酸中的合金化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在纖維表面的穩(wěn)定結(jié)合，形成連續(xù)高導(dǎo)電通路。為解決液態(tài)金屬電化學(xué)活性過高的問題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性引入惰性碳納米管 / 聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（CNT/PEDOT:PSS）電極層，構(gòu)建出液態(tài)金屬 - 惰性材料雙層電極結(jié)構(gòu)，既保留了液態(tài)金屬的高導(dǎo)電性，又實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜生理環(huán)境下的穩(wěn)定傳感。同時，團(tuán)隊(duì)通過 SEBS 彈性體等材料的分段封裝，賦予纖維優(yōu)異的防水性、抗腐蝕性和機(jī)械韌性，使其在生理液中能長期保持電學(xué)性能穩(wěn)定。

材料表征結(jié)果證實(shí)了該制備策略的優(yōu)越性：銅涂層將液態(tài)金屬在 PU 表面的接觸角從 119.7° 降至 36.5°，大幅提升潤濕性，保障了合金化反應(yīng)的均勻性；經(jīng)合金化反應(yīng)后，纖維電導(dǎo)率從銅涂層的 0.1133 S cm?1 躍升至 39623 S cm?1，提升超 35 萬倍；封裝后的纖維可實(shí)現(xiàn) 250% 的超高拉伸率，100% 拉伸時電阻僅增加 2 倍，200% 拉伸時增加 9 倍，且經(jīng)反復(fù)拉伸、彎曲循環(huán)后無涂層開裂、分層現(xiàn)象。此外，電化學(xué)沉積的 PEDOT:PSS 層使電極阻抗降低兩個數(shù)量級，電化學(xué)穩(wěn)定窗口達(dá) - 1.85~2.15 V，經(jīng) 1000 次 30% 拉伸循環(huán)后阻抗無明顯變化，為高保真生物信號檢測奠定了基礎(chǔ)。

基于優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能，這款 1D 生物電子纖維展現(xiàn)出多場景適配的多功能性，首先在柔性電子紡織品集成中表現(xiàn)亮眼。研究團(tuán)隊(duì)通過可編程刺繡技術(shù)，將液態(tài)金屬纖維織入織物制備射頻天線，實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸。該電子紡織品兼具柔韌性、防水性和機(jī)械穩(wěn)定性，彎曲、扭轉(zhuǎn)、錘擊下電阻保持恒定，水下仍能穩(wěn)定為 LED 供電；其電感品質(zhì)因子與傳統(tǒng)銅線相當(dāng)，高頻段性能更優(yōu)，經(jīng) 300 次彎曲循環(huán)后電阻變化小于 10%，而銅線僅 100 次循環(huán)即斷裂，完美適配穿戴式設(shè)備的動態(tài)使用需求。

在電生理監(jiān)測應(yīng)用中，該纖維器件展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)凝膠電極的性能。將其貼附于人體皮膚，通過預(yù)拉伸實(shí)現(xiàn)與皮膚的緊密接觸，同時保留良好的透氣性，避免了傳統(tǒng)電極因汗液積累導(dǎo)致的皮膚刺激和信號漂移。在心電圖（ECG）和肌電圖（EMG）檢測中，纖維電極能清晰捕捉 P 波、QRS 波群等 ECG 特征，運(yùn)動狀態(tài)下幾乎無運(yùn)動偽影，干濕環(huán)境下均保持高信噪比；多通道 EMG 檢測可精準(zhǔn)記錄不同手部動作的肌肉電信號，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，手勢識別準(zhǔn)確率高達(dá) 99.5%，為運(yùn)動監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域提供了新方案。

研究團(tuán)隊(duì)還通過大鼠坐骨神經(jīng)在體刺激實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了器件的生物相容性和精準(zhǔn)刺激能力。超薄、可拉伸的纖維電極可直接纏繞于坐骨神經(jīng)表面，形成穩(wěn)定的電接觸界面，施加電刺激后能精準(zhǔn)調(diào)控大鼠后肢肌肉收縮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，低頻率（1-10Hz）刺激下成功率接近 100%，200mV 以上電壓即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的神經(jīng)激活，且經(jīng) PBS 溶液浸泡 2 天后，刺激性能無明顯衰減。細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)證實(shí)，纖維器件對 HEK293T 細(xì)胞的細(xì)胞活力無顯著影響，PEDOT:PSS 修飾進(jìn)一步降低了碳納米管電極的細(xì)胞毒性，滿足長期生物醫(yī)學(xué)植入的要求。

綜上，該研究開發(fā)的溶液沉積制備策略，實(shí)現(xiàn)了可拉伸 1D 液態(tài)金屬生物電子纖維的規(guī)?；?、低成本制備，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)液態(tài)金屬器件的粘附性、穩(wěn)定性和界面適配性問題。這款纖維器件集高導(dǎo)電性、優(yōu)異機(jī)械韌性、電化學(xué)穩(wěn)定性和良好生物相容性于一體，不僅能實(shí)現(xiàn)高保真的電生理信號監(jiān)測、精準(zhǔn)的在體神經(jīng)刺激，還能與紡織品無縫集成實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸，為穿戴式生物電子設(shè)備、微創(chuàng)診療器械、腦機(jī)接口等領(lǐng)域的發(fā)展提供了全新的平臺型技術(shù)，也為一維柔性生物電子器件的設(shè)計(jì)與制備提供了重要的參考思路。

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