中国科大龚兴龙教授团队 ACS Nano：透气、可拉伸、可回收的纤维素气凝胶电子皮肤器件

2025-01-16 来源：高分子科技

目前，为减轻电子垃圾引发的生态环境问题，生物基质可穿戴电子器件在疾病诊断、个性化医疗康复和软机器人等领域正蓬勃发展。生物基质的基材虽然有生物可降解，生物相容性等优势，但通常为致密或层状薄膜，具有低拉伸性，不适宜长时间穿戴，极大限制其应用场景。因此，如何设计一种透气可拉伸的柔性可穿戴器件，以实现多模态信号监测与医疗保健管理，对拓展柔性电子器件的应用具有重大意义。

图1. CNF/HPC/PVA 电子皮肤的设计与制备流程。

日前，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受人体皮肤启发设计了一种透气、可拉伸、可回收的纤维素气凝胶电子皮肤器件。将银传感层通过丝网印刷复合在CNF/HPC/PVA（纤维素纳米纤维/羟丙基纤维素/聚乙烯醇）气凝胶皮下组织层和透气聚氨酯表皮层之间，开发出该电子皮肤（图1）。通过毛细力诱导自组装，纤维素气凝胶的拉伸强度达到 1.14 MPa，拉伸应变为 43.5%。基于微裂纹传感机制，该器件在应变刺激下具有高灵敏度（GF ≈ 238）、超低检测极限（0.1%）和快速响应/回复时间（18/152 ms）。该透气电子器件还可进一步集成到智能口罩中，与供电系统、开关控制装置和无线蓝牙模块一起用于以病人为中心的医疗保健管理。此外，该器件可长期佩戴在人体皮肤上，不会对皮肤产生刺激，且所有电子元件均可在水中回收/再利用。

该工作已发表在《ACS Nano》期刊上，题为“Permeable, Stretchable, and Recyclable Cellulose Aerogel On-Skin Electronics for Dual-Modal Sensing and Personal Healthcare”。

图2. CNF/HPC/PVA 电子皮肤的结构与力学表征。

通过毛细力诱导自组装策略，纤维素气凝胶的可拉伸性得到提升，借助丝网印刷技术复合银墨水传感层，最后用透气聚氨酯层封装得到最终的电子皮肤器件，由扫描电镜可以看出明显的三明治结构。此外，该电子皮肤具有较高透明度，保形性（模量1.5 MPa，与人体皮肤接近）以及良好生物相容性（图2）。

图3. CNF/HPC/PVA 电子皮肤的应变传感性能。

在拉伸过程中，由于传感层和气凝胶层模量相差较大，易产生微裂纹，由于气凝胶和封装层的弹性，应变回复时可使微裂纹重新连接。这种微裂纹之间断开与连接机制，使该电子器件具有高灵敏度（GF ≈ 238）、超低检测限（0.1%）、快速响应/回复时间（18/152 ms）和良好耐久性（2500次循环）（图3）。

图4. CNF/HPC/PVA 电子皮肤的力-电耦合机制。

结合数值计算与有限元模拟，进一步解释了该电子器件力-电耦合机制。采用微裂纹结构电阻模型，定性阐述随着应变增大，传感器总电阻的增大情况。通过电势分布模拟图表明，更多、更宽的微裂缝会给电流流动带来很大困难，导致导电网络中的电子通路受阻，进一步解释传感器电阻的增加原因。最后通过裂纹扩展有限元模拟，得出纯银层受拉易产生应力集中，从夹持处断裂，而复合纤维素气凝胶柔性基底后，可以显著降低传感银层的应力集中现象，并表现出多处微裂纹的产生，避免产生贯穿裂纹，保障电子皮肤器件信号的稳定性（图4）。

图5. CNF/HPC/PVA 电子皮肤的湿度传感性能。

纤维素大分子链含有大量氢键，使纤维素易吸水溶胀，因此在高湿度环境下，纤维素纤维的溶胀使表面银层易产生微裂纹，造成电阻的增加。该电子皮肤器件在44%-83%的相对湿度范围内具有较高稳定性，可以稳定采集信号，并且具有较快的响应/回复时间（7.1/33.3 s）。基于此，该电子皮肤不仅可以区分人体不同的呼吸程度和模式，还可以感知人体和物体的湿度，实现非接触感知（图5）。

图6. CNF/HPC/PVA 电子皮肤的热管理，抗菌及可回收性能。

由于银层的高导电性，该电子皮肤可佩戴于人体，通过焦耳加热实现高温热疗与肌肉康复。在较低的电压下（0.3-1.5 V）,该器件可提供27.9-66.0 ℃的加热温度，并且温度与电压之间具有较好的线性关系。此外，该电子皮肤器件具有较高透气性，较好抗菌性和可回收性，有利于长期舒适佩戴，且对环境友好（图6）。

图7. 电子皮肤贴片的应用展示。

由于该电子皮肤的良好保形性，可作为电子皮肤贴片贴于人体各个部位，实现对人体生理活动信号的监测，不仅可以监测低应变信号（鼓脸颊，吞咽，握拳等），还可监测高应变信号（手腕弯曲，颈部弯曲，手指弯曲等）（图7）。

图8. 智能口罩的应用展示。

最后，通过电路设计，将该电子皮肤器件协同电源系统、开关控制装置和无线蓝牙模块，与医用口罩集成，开发出了一种自吸湿/自除湿电子智能口罩，维持口罩内部热湿平衡。该智能口罩主要有湿度感知预警和焦耳加热两个模块：一方面，通过将电子皮肤与模拟数字转换器（ADC）模块和蓝牙模块连接，可检测人体呼吸信号，并可设置阈值进行预警。另一方面，还设计了一个串联电路，将电子皮肤与电池和开关控制装置连接起来，实现焦耳加热性能，具有良好除湿效果。值得注意的是，智能口罩的重量仅约 6 克，不影响长期佩戴（图8）。

综上所述，论文提出了一种透气、可拉伸、可回收的纤维素气凝胶电子皮肤器件，用于双模态传感与医疗保健。通过毛细力诱导自组装设计，增强了多孔纤维素气凝胶的延展性，改善了其脆性。基于微裂纹传感机制，该器件实现对应变和湿度刺激的高灵敏与快速响应。由此开发了电子皮肤贴片和智能口罩，实现以患者为中心的持续医疗保健管理。此外，该器件可长期佩戴在人体皮肤上，且所有元件都可在水中回收或再利用。

论文的第一作者为中国科大工程科学学院硕士研究生刘帅，通讯作者为中国科大工程科学学院龚兴龙教授、宣守虎教授和中国科大附属第一医院鹿亮副主任医师。该研究获得国家自然科学基金以及中国科大微纳研究与制造中心资助。

原文链接：Shuai Liu, Wenwen Li, Xinyi Wang, Liang Lu, Yue Yao, Shuyu Lai, Yunqi Xu, Junjie Yang, Zhihao Hu, Xinglong Gong, Ken Cham-Fai Leung and Shouhu Xuan. Permeable, Stretchable, and Recyclable Cellulose Aerogel On-Skin Electronics for Dual-Modal Sensing and Personal Healthcare. ACS Nano, 2025.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c13458

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（责任编辑：xu）

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