作為柔性和可穿戴電子產品的關鍵角色，應力/應變傳感器可以將外部物理刺激轉換為電信號，但是，必須具有低楊氏模量和大GF值，以監測細微的皮膚運動，高拉伸能力以適應多尺度變形，以及極強的耐久性，以適應人體運動引起的動態變形。目前，商用應力/應變傳感器具有脆性，在磨損設備中的效果并不好。因此，將先進的導電納米材料與可拉伸的支撐基板結合，是一種獲得可拉伸的柔性應變傳感器導體的通用方法。然而，昂貴的導電納米材料的消耗很大程度上阻礙了這種應變傳感器的推廣。
近日，江南大學劉天西教授、黃云鵬副教授課題組與英國倫敦大學學院（University College London）的Ivan P. Parkin教授合作，通過將炭黑/碳納米管(CB/CNT)復合材料均勻錨定在高彈性、低楊氏模量、透氣透濕的靜電紡SEBS非織造布上，然后在導電層頂部均勻噴涂全氟辛基三乙氧基硅烷改性的 TiO2 納米顆粒(PFOTES-TiO2 NPs)，成功地構筑了一種超可拉伸、具備優異健康監測性能和出色自清潔能力的織物基表皮電極。彈性纖維上的自適應CB/CNT導電網絡在超高變形(>10次拉伸)下能夠實現高效的電荷轉移，而最外層的PFOTES-TiO2 NPs層具有良好的層間粘附性，提供了微拓撲結構和較低的表面能。
因此，用于皮膚貼附生物電極的導電紡織品在個人健康監測中表現出了卓越的性能，包括超寬的檢測范圍為1050.0%，可穿戴式應變傳感器的極高GF值高達1134.7，以及出色的心電檢測能力。此外，生物電極還具有良好的防污性能和抗各種腐蝕性流體甚至嚴重機械損傷的能力，確保了其在惡劣環境下的長期運行穩定性。因此，本研究為實現高性能紡織生物電子學提供了一個新的思路。相關研究成果以“Ultra-stretchable and superhydrophobic textile-based bioelectrodes for robust self-cleaning and personal health monitoring”為題目發表于期刊《 Nano Energy》上。
圖1 超可拉伸和超疏水紡織生物電極的制備過程示意圖。
圖2 (A)超疏水性PTCCS無紡布上的水、HCl (1 M)溶液、NaOH (1 M)溶液、咖啡、可樂、果汁、牛奶和墨滴的照片，(B)它們對應的WCA。(C) PTCCS 在從 0% 增加到 300% 的應變下的 WCA。(D) PTCCS 超疏水性的耐磨性測試 50 個循環。機械損傷對 PTCCS 超疏水性的影響：（E）手擦和（F）刀劃。(G) PTCCS 紡織品的自清潔測試。(H) PTCCS 超疏水表面示意圖。(I) 水滴在水平放置的 PTCCS 非織造織物上彈跳。
圖 3. 人體運動檢測測試：(A) 手腕脈搏，(B) 心跳，(C) 呼吸（戴在面罩上），(D) 吞咽和飲水，(E) 發聲：碳、應變和化學，( F) 手指彎曲 30°、60° 和 90°，(G) 肘部彎曲，(H) 膝蓋彎曲，和 (I) 手指在水下彎曲。
圖 4. (A) 基于 PTCCS 的心電信號管理電路示意圖，具有數據采集、信號處理和無線傳輸四個部分。(B) 通過藍牙連接在手機上顯示實時心電圖信號。(C) 商用凝膠電極和 PTCCS 電極的數碼照片。運動前和運動后 (E) 兩個電極 (D) 測量的心電圖信號。(F, G) 用于測量二頭肌生物電的 EMG 裝置的示意圖和照片，以及 (H) 獲得的握緊、肘部抬起和前臂旋后的 EMG 信號。
小結：通過可拉伸CB/CNT導電網絡與最外層超疏水PFOTES-TiO2 NPs的協同組合，制備了一種具有自清潔能力和超高拉伸能力的低成本非織造PTCCS紡織基生物電極。CB/CNT混合導電網絡牢固地錨定在纖維表面，通過兩種納米粒子的協同貢獻，在超高變形下促進有效的電荷轉移，從而同步產生寬工作范圍（1050.0%）、高GF值（1134.7 )、超低傳感極限 (0.18%)，以及在用作可穿戴應變傳感器時實時監測各種人類活動的出色能力。
作為生理電傳感器，PTCCS紡織生物電極在記錄心電和肌電信號時也表現出了顯著的檢測性能。此外，PFOTES-TiO2 NPs 提供的低表面能與分級納米微結構相結合，使織物導體的表面保持在 Cassie 狀態，即使在手指擦拭、刀刮和砂紙磨損后也具有強大的防水性，最重要的是，在潮濕和腐蝕性環境下也具有良好的傳感能力。考慮到紡織生物電極的多樣化功能和卓越的性能，這項工作可能為制造具有惡劣環境適應性的皮膚貼附健康監測電子產品提供新思路。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107160
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