美国物理联合会《APL 生物工程》杂志发表论文：用于可穿戴设备的电纺纳米材料的最新进展

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导语

生物物理信号的可穿戴传感器

可穿戴能量存储设备

可穿戴能量收集设备

总结

 

导语：据IDC报告，全球智能可穿戴设备总出货量2016年~2020年复合增长率为44.5%。未来五年全球智能可穿戴设备需求仍保持强劲增长态势。然而，设计能够与人体无缝集成的智能可穿戴设备是一项艰巨的任务。静电纺丝作为一种多功能平台已经出现，它可以通过从聚合物基底制造具有可调特性的纳米纤维来解决这些挑战。

 

由美国物理联合会出版的《APL Bioengineering》杂志在6月28日发表了论文“Recent progress in electrospun nanomaterials for wearables”，美国塔夫茨大学的Sameer Sonkusale教授在文中展示了静电纺丝材料的诸多优势，并总结了静电纺丝在可穿戴电子设备和系统方面取得新进展。一般认为可穿戴设备包括直接佩戴在人体皮肤上的微型电子设备，用于感应各种生物物理和生物化学信号或者提供方便的人机界面(例如智能手表)。可穿戴设备材料特别需要的一些关键属性是皮肤适应性，透气性和生物相容性。调节材料的机械、电子和化学性质的能力也很重要。静电纺丝通过使用电场从聚合物溶液生产纳米纤维，提供了潜在解决这些挑战的通用平台并将它们组装成各种形式，例如膜、线或垫。

 

1.生物物理信号的可穿戴传感器

静电纺丝制备的纳米纤维具有高孔隙率和高表面/体积比，是一种很有前途的皮肤生物传感材料。纳米纤维的多孔性提高了透气性和对气体和水蒸汽的渗透性，使其成为皮肤界面的理想基质，并将其功能化，作为不同生物物理信号的传感器。监测心电图(ECG)和肌电图(EMG)等生物电位是许多可穿戴应用的核心。由于超低厚度、形状一致性和透气性，电纺纳米纤维作为生物电位监测的皮肤电极更具前景。纳米纤维的多孔性改善了表面接触并增加了附着力。此外，它使纳米网电极具有透气性，这是长期放置在皮肤上的任何设备的关键属性。这些超薄膜通常被称为纳米网导体，可以通过表皮电极与人体皮肤电连接，以传输生物电位信号。这些纳米网传感器由用于将其附着到皮肤上的柔性透气基材组成，并在顶部覆盖导电涂层。

 

另一类以可拉伸导电压敏电阻为特征的可穿戴设备广泛用于运动、应变和压力传感。高孔隙率和大的表面体积比使电纺纳米纤维容易地吸收挥发性材料，并通过颜色变化或电信号提供快速响应，可用于用于测量身体新陈代谢的可佩戴气体传感器。

 

2.可穿戴能量存储设备

可穿戴平台的基本构建模块，如电池、超级电容器、硅整流天线、光伏电池和晶体管，这些都可以通过使用电纺纳米纤维实现的。来自静电纳米粒子和复合材料的多孔纳米纤维在锂储存能力、充放电动力学、循环稳定性和电化学性能方面都有所改善。尽管通信系统和传感平台近年来呈现指数级增长，技术不断进步，但在当今可穿戴技术中，电池寿命仍然是最大的设计挑战之一。锂离子(Li-ion)电池主要用于可穿戴设备，因为它们操作安全、重量轻、体积小、充电容量高，并且需要较少的维护[图2(a)]。因此，它是制造高效、柔性和可拉伸电池的绝佳候选材料。

 

有学者研究出了熔融电纺碳纤维毡用作锂离子电池中的高性能阳极材料，以提高碳纳米纤维的比容量和电化学导电性，同时简化制造工艺并进一步提高电池充电容量[图2(b)]。在另一项研究中，有研究人员展示了在制造高性能多孔阴极中使用氮基聚合物前体的方法。已经合成和制造的锂离子电池中的各种其它阳极材料包括超细SnOx颗粒，硅芯/C壳硅纳米线，和高石墨化的碳纳米纤维。具有嵌入无机材料的电纺碳纳米纤维已经显示出在锂离子电池中提供电化学改进。静电纺丝有助于将功能材料的纳米薄片/纳米板嵌入导电纳米纤维的结构中，以制备具有独特结构的电池材料。这些复合结构不仅提供了速率性能的调节，而且还证明了反应在这些柔性超薄纳米结构中的极端限制，以改善电池性能。

 

 

3.可穿戴能量收集设备

随着物联网的快速发展，柔性太阳能电池已经成为可穿戴电源的一个有前途的候选。电纺纳米纤维由于其低成本、易于制造和可调节的物理化学特性，适合作为可穿戴电源。将染料敏化太阳能电池(DSSC)引入电纺纳米纤维作为组件的多个例子已经证明了在可穿戴应用中效率的提高。在一项研究中，使用一层电纺纳米纤维来吸收DSSC的液体电解质泄露，纳米纤维能够容纳大量电解质，显著降低电解质泄漏或蒸发的速率。

 

电纺纳米纤维为其他电解质技术如凝胶电解质或掺杂贵金属颗粒的电解质提供了廉价而有效的替代品。纳米纤维的互连结构使它们能够保持电荷载流子的迁移率，使它们具有类似半导体的特性，这有助于在电子和空穴复合之前将它们传输到电极。

 

 

4.总结

在最新研究中，他们展示了静电纺丝材料的诸多优势。自静电纺丝出现以来，在将该技术用于多种应用方面已经取得了显著的进展，特别是在可穿戴设备电子领域。展望未来，拓宽材料选择范围和提高与人体生理学整合的便利性是电纺设备发展的关键方面。提供可穿戴设备与电源和通信组件无缝集成的新策略是改善任何可穿戴系统整体功能的关键，需要进一步研究，尤其是在静电纺丝设备方面。研究人员相信，在未来几年，静电纺丝技术将成为一种多功能、可行和廉价的可穿戴设备制造关键技术。

DOI：doi.org/10.1063/5.0088136

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来源：UI科技日报