DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104706
基于壓電材料的可穿戴電子設備在疾病預測、診斷和康復等人體生理監測方面具有潛在的應用前景。然而，要同時實現良好的兼容性和對復雜微妙生理信號的精確監測，是一個巨大的挑戰。本文通過在電紡PVDF納米纖維表面外延生長ZnO納米棒（NRs），制備了一種基于PVDF/ZnO納米纖維的三維分層互鎖壓電傳感器，這使基于纖維的生理監測電子設備（PME）具有良好的柔性和高度透氣性。由于有效變形的互鎖ZnO納米棒與具有高電活性相的均勻取向PVDF納米纖維的協同壓電效應，在壓制和彎曲模式下，PME的靈敏度分別比純PVDF納米纖維提高了6倍和41倍。在此基礎上，設計的PME能夠準確檢測呼吸、脈搏和肌肉行為等復雜微妙的生理信號。此外，研究者成功開發了基于PME陣列的靈敏步態識別系統。因此，這種基于纖維的裝置提供了一種監測人體細微生理信號的替代策略，在醫療保健和臨床診斷領域具有廣闊的應用前景。
圖1.基于PVDF/ZnO纖維的三維分層互鎖PME用于監測肌肉行為的示意圖。 （a）PME共形粘附在小腿肌肉上以監測變形。（b）核-殼PVDF/ZnO納米纖維的制備過程。
圖2.核-殼PVDF/ZnO納米纖維的微觀結構和工作原理。（a）高取向PVDF/ZnO納米纖維膜的SEM圖像。PVDF/ZnO納米纖維的橫截面SEM圖像（b）和EDS映射（c）。（d）PVDF/ZnO納米纖維膜的透氣性測試。（e）高柔性PVDF/ZnO納米纖維薄膜的照片。PVDF和PVDF/ZnO纖維的XRD圖（f）和FTIR光譜（g）。（h）在彎曲ZnO納米棒上產生壓電勢的示意圖。
圖3.壓制模式下核殼PVDF/ZnO纖維的電學和力學表征。（a）壓力范圍為1.8至451 kPa時裝置開路電壓的依賴性。（b）PME裝置的線性度。（c）裝置在451 kPa壓力下的響應時間。（d）在不同壓力下的開路電壓的放大圖。（e）為確認裝置的機械穩定性而進行的耐久性試驗的結果。
圖4.彎曲模式下核殼PVDF/ZnO纖維的電學和力學表征。（a）彎曲過程中機械變形耦合分析模型的示意圖。（b）具有從0.0242 mm-1到0.2962 mm-1的不同曲率（ω）的裝置開路電壓的依賴性。（c）在0.2962 mm-1曲率下的開路電壓的放大圖。（d）裝置在0.2962 mm-1曲率下的響應時間。（e）在正向和反向連接模式下的開路電壓。（f）為確認裝置的機械穩定性而進行的耐久性試驗的結果。
圖5.柔性設備在人體生理監測中的應用。（a）裝配在胸部、腕部和三塊小腿肌肉上的壓力傳感器的示意圖。（b）不同呼吸方式的電輸出。（c）健康人的手腕脈搏的實時信號。（d）包含三個波峰的擴展脈搏波，即P波、T波、D波。（e）步態識別系統的示意圖。（f）ANT TIB、GAST和SOLE的信號，分別檢測向前、向左和向右行走的步態。（g）向左行走時左腿有多重信號。（h）在不同步行方向的小腿反應幅度（右腿）與其他小腿反應幅度（左腿）的比值。
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