研究背景：

电纺微/纳米纤维由于其轻质、相容性、透气性、机械可变形性和功能可集成性等优点，具有灵敏性和多功能性，近年来在柔性生物力学传感器中得到了广泛的应用。随着数字时代的不断进步，现有的静电纺柔性传感器已不能满足可穿戴电子产品、交互界面和实时连续健康监测等多场景应用的需求。

近期，湖北工业大学胡新宇教授和北京化工大学刘勇教授合作发表综述，主要讨论了静电纺聚合物柔性生物力学传感器的设计、制备和优化。相关研究内容以“Electrospun Micro/Nanofiber-Based Biomechanical Sensors”为题目，发表于期刊《ACS Applied Polymer Materials》上。

本文要点：

1、简要介绍了基于工作机理的电纺柔性生物力学传感器的设计方法。

2、详细讨论了直接静电纺丝和后处理辅助静电纺丝两种制备策略。

3、此外，从加工角度论证了优化电纺柔性生物力学传感器性能和赋予其多功能的四种方法。

4、提出了与本课题相关的挑战和潜在的解决方案，为下一代电纺柔性生物力学传感器提供了新思路。

一图读懂全文：

 这篇综述提出的主要结论和见解：

1. 对柔性生物机械传感器的需求正在上升，导致对实用性、灵活性、耐久性和生物相容性的更高期望。

2.  静电纺微/纳米纤维具有轻量化、兼容性、透气性和机械变形性等优点，为传感器提供了高灵敏度和多功能性。

3. 优化柔性生物机械传感器性能的策略包括微工程、结构形式设计、电极配置和新功能材料的结合。

4. 静电纺丝由于其通用性和成本效益，是一种很有前途的柔性生物力学传感器制备技术。

5. 柔性压力传感器因其结构简单、灵敏度高、输出稳定等优点，已成为可穿戴电子设备的重要组成部分。

图1 基于电纺丝微/纳米纤维的柔性生物力学传感器:设计、制备、优化与展望。

图2 静电纺丝工艺及影响参数。

图3 (A) (A−c) SF/Gr压阻式传感器工作原理；(d)响应时间约490 ms；(e)压力增大时相对电流的变化趋势；(f)在43.1 KPa压力下进行2000次循环压缩试验后的稳定性。(B) (a) MTPF压阻式传感器结构；(b)其感应机制；(c)在压缩率为2mm min ^{- 1}的情况下，对0.24 ~ 160 kPa外部压力的电流响应；(d)其响应和恢复时间；(e)经过8000次循环试验后的稳定性。(C) (a) CNFNs工作原理图；(b)相对阻力随压力的变化率；(c)在0.38 kPa压力下进行5000次循环稳定性试验。(D) (a)柔性电容式传感器结构；(b)其感应机制；(c)其压力灵敏度，图中显示了其在低压区的灵敏度；(d)其响应和恢复时间；(e)装载和卸载一粒重38毫克的大米所得到的信号图。(E) (a)电容式传感器工作原理；(b)在不同压力范围内的敏感度；(c) 0.89 kPa压力下的加载-卸载响应时间；(d)中高压下的动力响应。

图4 (A) (a)普通直接静电纺丝工艺示意图。(b)静电纺丝装置示意图及PAN/PANI/PVP压电导电纳米纤维的照片。(c)压力传感器的制作顺序和结构。(d)压阻式传感器的制备过程。(B) (a)后处理辅助静电纺丝常用工艺示意图。(b) MTPF制作示意图。(c)制备导电电纺丝纤维膜的示意图。(d) PVDF-HFP/PEDOT材料的实验设置和原理图。

图5 (A)碳纱线制造装置示意图；(b)纱线的碳化过程；(c)纱线应变传感器照片；(d)螺旋包绕纱的拉伸机理。(B) (a)共轭静电纺丝技术制备纳米/微芯鞘纱的工艺示意图和结构；(b)柔性较好的CSYs和基于csyf的摩擦电传感器照片；(c)摩擦电传感器的电荷产生机理；(d)一片狗尾草诱导该摩擦电传感器的VOC；(e) Martindale起球试验原理图。

结论：

静电纺微/纳米纤维在制备下一代柔性生物力学传感器方面显示出巨大的潜力。本文就电纺柔性生物力学传感器的设计、制备和优化等方面的最新进展进行了综述。尽管已经取得了巨大的成就，但材料系统、传感范围、多功能和规模化生产等方面的挑战仍然阻碍了静电纺柔性生物力学传感器的实际应用。

• 原料优化：指出电纺柔性生物力学传感器的性能主要取决于所采用的原材料。尽管在电纺丝聚合物微/纳米纤维中加入功能性纳米填料已经取得了显著的进步，但为了实现优异的性能，填料类型和用量的最佳组合仍在进行研究。

• 扩大传感范围：目前，开发能够同时检测小尺度和大尺度运动的电纺丝柔性生物力学传感器是制约其进一步发展的最大障碍之一。例如，脉搏跳动等小规模运动需要高灵敏度、超低检测限的传感器。

• 多功能性：电纺柔性生物力学传感器需要表现出超越单一传感模式的多功能性。例如，它们不仅需要感知机械刺激、温度、湿度和环境气体检测，还需要结合自我修复、电磁屏蔽或其他功能。

• 规模化生产：目前对电纺柔性生物力学传感器的研究大多停留在实验阶段。因此，迫切需要探索电纺柔性生物力学传感器的商业化途径。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsapm.3c01308