随着人工智能以及物联网在现实生活中的逐步普及，可穿戴柔性传感器因其简单的制造工艺和成熟的信号处理技术引起了广泛关注。同时，难以回收或降解的电子废弃物、较低的灵敏度和有限的检测范围严重阻碍了其实际应用。因此，可再生、可折叠、可降解、低成本以及高灵敏度的植物纤维基柔性传感成为目前可穿戴器件领域的研究热点。然而，传统的植物纤维基材料自身的亲水性和低导电性极大地限制了在柔性传感器件领域的应用和普及。基于此，通过结构设计改善植物纤维基传感器的灵敏度和导电性，并应用于摩擦电纳米发电机、超级电容器和传感器组成的柔性集成传感微系统具有重要意义。
近期，大连工业大学生物基纤维材料与化学品团队针对纤维素基水凝胶传感器存在的问题展开了研究，并取得系列进展，开发了具有强韧、导电、粘附等多功能集成的纤维素基水凝胶材料，并探索了在柔性应变传感、自供能摩擦纳米发电机以及光热治疗等方向的应用，研究工作先后发表在Chemical Engineering Journal，International Journal of Biological Macromolecules和ACS Applied Electronic Materials等学术期刊。王海松教授和和杜健副教授为论文的通讯作者，2021级博士研究生岳嘉继为论文的第一作者。
首先，基于缺陷和异质结工程，将CMOF@MoS2网络巧妙地引入到包含羧甲基纤维素钠和聚乙烯醇的水凝胶网络中，简单制备了柔性多功能MoS2集成传感微系统（图1）。该柔性多功能MoS2水凝胶表皮传感器具有高灵敏度、宽传感范围和可靠的重现性，可以灵敏地监测各种人体生理信号（如腕脉搏、肘部弯曲和膝盖弯曲），为康复运动相关疾病提供重要的诊断信息。此外，MoS2水凝胶还具有优异的抗溶胀性、良好的生物相容性以及出色的光热性，可用于伤口的按需光热治疗，显著加速伤口修复。
图1. 集成具有光热治疗功能的柔性自供电传感微系统的设计概念
通过在CMOF上原位生长MoS2，设计了具有缺陷的独特CMOF@MoS2异质结，用于构建功能水凝胶。由于功函数的不同，电子从MoS2自发转移到CMOF，CMOF@MoS2界面处的内置电场驱动了受光子激发的MoS2中电子空穴的快速分离，极大提高了光热转化效率。此外，二硫化钼薄层中存在的大量缺陷位点，加速了电子的传递，提高了CMOF@MoS2水凝胶的导电性（图2）。
所设计的水凝胶不仅在不同应变下具有较高的灵敏度（在0−150%应变下为20.1，在150−250%应变下为85.4和在150−320%应变下为97.1），而且响应时间短至23 ms。基于稳定可靠的机电特性，水凝胶被组装成应变传感器，可以有效识别复杂的人体活动，包括关节（手指、膝盖和脚踝）运动和细微的人体运动（脉搏）。作为概念验证，由电源、储能和传感单元组成的一体化柔性智能微系统证明了可穿戴电子在检测和识别人体运动和生理信号方面的兼容性和可行性（图3）。
图3. 水凝胶在人体活动监测中的应用。
此外，我们还将CMOF@MoS2/DNH构建了一种单电极摩擦纳米发电机，并系统地研究了CMOF@MoS2/DNH-TENG电输出性能。通过图4b-d可以发现，所设计的单电极CMOF@MoS2/DNH-TENG具有显著增强的摩擦电性能以及出色的电输出（开路电压为360 V，短路电流为25.2 μA，转移电荷为108 nC），并在10,000次循环拍过程中保持稳定的高电压输出（图4）。
图4. 水凝胶在摩擦纳米发电机中的应用。
研究了水凝胶在超级电容器中的应用和性能，结果表明制造的柔性CMOF@MoS2/DNH电极在1 A g−1电流密度时具有优异的比电容580 F g−1，组装的对称柔性全固态超级电容器提供了26.5 Wh kg−1的能量密度。高性能柔性电源的开发对于可穿戴电子产品的发展至关重要，而本工作中的超级电容器可被弯曲成各种角度，且在此过程中没有明显的电化学性能变化，并在充放电循环10,000次后，比电容仍能保持94%，这表明该超级电容器具有出色的柔韧性和机械稳定性（图5）
该复合水凝胶具有良好的光热效应，在808 nm激光(1W/cm2)照射下，CMOF@MoS2/DNH水凝胶的温度在5 min内从25 ℃上升到64 ℃。与MoS2和CMOF相比，CMOF@MoS2的光热效应得到了明显增强。动物应用实验表明，CMOF@MoS2/DNH水凝胶联合近红外辐射，促进了胶原蛋白的沉积和血管生成，从而加速了组织再生和伤口愈合。这项工作不仅为自供电的可穿戴电子设备提供了治疗伤口的新途径（图6）。
图6. 水凝胶的光热性能
在上述研究基础上，作者还利用生物质纤维（如丝瓜）作为网络结构构建高导电生物质炭纳米填料，引入到包含羧甲基纤维素钠和聚乙烯醇的水凝胶中，并组装成柔性自供电传感微系统，结果表明石墨烯互锁碳化丝瓜络（图7）和仿章鱼足高密度接触位点的传感系统(图8)，不仅可用于能量收集，而且可以对生理信号进行精确监测。
图7. 石墨烯互锁碳化丝瓜络，用于能量收集和生理信号监测
论文研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金及辽宁省百千万人才工程项目的资助与支持。
原文链接：
1. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153367.
2. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129533.
3. https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c00380.
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/PjEDTOaDQwl_-F8vcy0H1A