《苏州纳米所张珽团队PMS顶刊综述:电纺纤维柔性电子:纤维制备,器件平台,功能集成和应用》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2023-05-09
  •   在过去的二十年中,柔性电子产品因其独特性质在电子皮肤、人机界面、柔性显示、可穿戴设备、便携式能源装置和植入式器械等领域的众多潜在应用而备受关注。电纺纤维具有优异的力学性能和可调控的物理化学性能,在用于制造新兴的柔性电子产品方面展示出巨大的前景。本文全面回顾了基于静电纺丝的柔性电子(图1),包括电纺技术简介、电纺纤维多样性、电纺纤维电子器件集成策略和各种器件平台(包括电极、电阻、电容、压电/ 摩擦电、电化学和晶体管等类型)。这些基于电纺纤维的柔性电子器件可以集成多种传感模式、无线通信、自供电和热管理功能。得益于电纺纤维优异的柔韧性、坚固性、高孔隙率、多样化的纤维形态和组装形式、重量轻、制备成本低等众多优点,电纺纤维柔性电子产品在个人医疗保健和人体监测方面发挥着越来越重要的作用,可用于生物物理信号、生化信号和电生理信号检测,并可作为植入式器件促进细胞和组织再生。文章结尾,作者对现阶段工作进行了总结,并对电纺丝纤维的柔性电子领域的发展进行展望。

      静电纺丝广泛用于制备具有非凡性能的超细纤维,其制备获得的纤维产品具有高表面积、高孔隙率、柔韧性和结构多样化等优点,广泛应用于组织工程、药物控释、水处理、光电器件、储能器件和柔性电子等众多领域,受到学术界和工业界的极大关注。自从2000年,发表的关于静电纺丝的文章已超过5万篇。于此同时,柔性电子产业迅速发展。在过去的二十年里,发表的关于柔性电子的论文已超过3万篇。特别是最近10年,电纺纤维柔性电子发展迅速,并且呈现持续迅速发展势态,在2022年,发表的关于电纺纤维柔性电子的研究占比柔性电子整个领域超过2.5%。然而,关于电纺纤维柔性电子的高水平综述文章依旧缺乏。为了填补该空缺,本文从电纺技术与电纺纤维制备、器件平台、功能集成和应用方面详细总结电纺纤维柔性电子的研究进展。

      作者将电纺纤维柔性电子的发展分为四个阶段:在第一阶段(2000-2012年),研究人员主要专注于导电电纺纤维的制备和电学性能调控。2012年至2016年(第二阶段),纳米生物电子支架、纳米纤维加速度计、可拉伸晶体管、柔性太阳能电池等基于电纺纤维的新型柔性电子器件开始进入人们的视野,并因其优异的性能而受到越来越多的关注。通过前两个阶段的发展,电纺纤维柔性电子在第三阶段(2016-2020)在材料和器件原型方面取得了重大进展。在此阶段,科研人员探索了许多新颖的柔性电子设备,并在各种应用场景中对其性能进行了很好的检验,例如用作可穿戴电子设备或植入式电子器件。这些柔性器件包括超薄纳米纤维网柔性器件、全纤维电子器件、基于单纤维的人工突触、心脏电子贴片等。自2020年以来(第四阶段),基于电纺纤维的电子产品在发表的文献数量和设备性能方面都取得了爆炸性的进步,并且这种快速的进步仍在继续之中。

      电纺纤维的成分具有多样性,可以通过聚合物、小分子、胶体和复合材料加工制备,使其物理和电学性能根据具体应用具有高度的可调节性。在柔性电子器件中,电纺纤维可用作不同组件成分,如导电元件、基底材料、增强成分,甚至是构建全纤维结构器件。此外,受益于电纺纤维的多样化结构(例如,多孔、空心、核-壳、多通道和纳米带)及其组成多样(例如,单纤维、纱线、对齐纤维、随机纤维、纤维垫和 3D 多孔结构), 电纺纤维使得柔性电子器件具有一系列特殊优势,包括柔韧性、透明性、导电性、透气性、自愈能力和耐洗性,赋予设备高性能和某些独特的功能。基于静电纺丝纤维的电子产品可以作为不同的平台,包括拉伸电极、电阻传感器、电容传感器、摩擦/压电传感器、晶体管、纳米发电机和植入式设备等,用于监测一系列人体活动、电生理信号、生物分子信号,实现随时随地获取个人健康信息。

      文章共包含六个章节:第一章为背景介绍,第二章为静电纺丝技术和电纺纤维,第三章关于电纺纤维柔性电子平台,第四章关于电纺纤维柔性电子器件的功能集成,第五章关于电纺纤维柔性电子的应用场景,第六章为总结和展望。

      在背景介绍中,作者介绍了电纺纤维柔性电子研究背景。随着科学技术的进步,电纺纤维柔性电子受到人们的关注迅速上升。经过近二十几年的发展,无论器件形式还是器件性能都获得了巨大的进步(图2)。电纺纤维的众多特性赋予了柔性电子独特的应用优势,使其可广泛应用于健康检测各个方面。

      静电纺丝技术和电纺纤维章节中,作者介绍了静电纺丝技术发展简史、静电纺丝技术原理(图3)、不同静电纺丝方法、用于制备电纺纤维的材料、电纺纤维结构多样性和电纺纤维的规模化制备技术。其中,用于制备电纺纤维的材料种类多样,包括聚合物、小分子、胶体和复合材料。

     电纺纤维柔性电子平台章节中,作者首先介绍了电纺纤维用作柔性电子平台具有多重优点,包括材料多样性、纤维形貌多样性、大比表面积、柔韧性、透气性等。接着,介绍了电纺纤维用于制备柔性电子的制备策略,可用作柔性电子的基底材料、增强成分、电活性成分,甚至用于制备全纤维结构器件。电纺纤维组装体具有结构多样性特点,柔性电子器件可基于其单纤维结构、纱线结构、二维纤维网络结构、三维纤维网络结构、纤维复合水凝胶,制备的柔性电子具有也具有结构多样性(图4),极大丰富了电子器件的结构类型,满足不同场景的应用需求,如拉力、压力、温度、湿度、气体和电化学传等。

      电纺纤维柔性电子器件的功能集成章节中,作者介绍了电纺纤维柔性电子器件的功能集成,包括多模态(图5)、自供能、无限通讯功能、热管理、自清洁和生物相容性功能的传感装置和系统。上述功能的集成,有利于电纺纤维柔性电子更好地满足实际应用需求。

      电纺纤维柔性电子具有众多应用场景,该章节中,作者重点介绍了用于人体生物物理信号、生物化学信号、生物电信号(图6)的检测和作为植入式生物电子用于促进细胞和组织再生。

      在总结和展望中,作者表示,虽然电纺纤维柔性电子已经取得了巨大进展,但是仍旧面临诸多挑战,例如,直接制备高导电纤维、纤维器件的长期稳定性、功能集成和规模化制备等。解决上述问题,实现电纺纤维柔性电子器件服务于人们日常生活依然还有很长的路要走。

      该综述论文以Electrospun Fiber-Based Flexible Electronics: Fiber Fabrication, Device Platform, Functionality Integration and Applications为题,发表在材料科学顶级期刊Progress in Materials Science上。中国科学院苏州纳米所张珽研究员为该综述通讯作者,高强博士后为该论文第一作者,共同作者还包括静电纺丝领域著名学者德国拜罗伊特大学的Seema Agarwal教授和Andreas Greiner教授。该研究得到了国家相关人才计划、国家自然科学基金面上项目和中国博士后科学基金面上项目(第72批)的资助。

  • 原文来源:http://www.sinano.cas.cn/news/kyjz/202305/t20230509_6750646.html;https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079642523000713?via%3Dihub
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    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2023-06-05
    •   近日,中国科学院苏州纳米所张珽团队在期刊Nano-Micro Letters上发表了最新研究成果“生物组织启发的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶用于柔性生物电子”(Biological tissue?inspired ultrasoft, ultrathin, and mechanically enhanced microfiber composite hydrogel for flexible bioelectronics)。中国科学院苏州纳米所为第一署名单位,高强博士后为论文第一作者,通讯作者为张珽研究员。该研究开发了一种新策略,通过将电纺纤维网络嵌入水凝胶中从而实现同时具有超薄结构和优异力学性能的复合水凝胶薄膜(< 5 μm)的构建。纤维复合水凝胶提供了广泛的可调模量(从 ~ 5 kPa 到几十 MPa),这与大多数生物组织和器官的模量相匹配。超薄的结构和超柔软特性使电纺纤维复合水凝胶能够无缝附着在各种粗糙表面上,是构建贴附型生物电子器件的理想材料。   纤维复合水凝胶薄膜基于静电纺丝、旋涂和冻融联合技术构建(图1)。通过调控静电纺丝时间、旋涂时间和冻融次数,实现对纤维复合水凝胶薄膜理化性质的调控(厚度:5微米到毫米;模量:几千帕到几十兆帕)。例如,增加纺丝时间可显著提高纤维复合水凝胶薄膜的力学性能;提高旋涂速率,有利于降低纤维复合水凝胶薄膜的厚度;增加冻融次数,可提高水凝胶自身的模量。纤维复合水凝胶具有优异的力学强度,一片厚度仅为7微米水凝胶薄膜可轻松托起20g重量的物体。此外,包埋的纤维网络可有效抑制应力集中导致的裂纹扩增,赋予纤维复合水凝胶薄膜优异的抗撕裂性能(图2)。  常规的水凝胶材料具有容易失水的缺点,长期暴露于空气中时,由于体系水分的蒸发从而使水凝胶体系失效。该研究通过在纤维复合水凝胶体系中掺入甘油作为保水剂,使复合水凝胶体系具有优异的抗失水性能。暴露于空气中七天后,仍具备优异的柔性。此外,为了改善纤维复合水凝胶的导电性,甘油/NaCl体系使纤维复合水凝胶在空气中维持长期的高导电性能(图3)。  得益于其超软和超薄的特性,纤维复合水凝胶薄膜可实现对各种不同粗糙表面的无缝贴附。其广泛可调的力学性能,几乎可实现对所有生物软组织(例如脑,肝脏,心脏,肺,心脏和皮肤等)模量的完美匹配,可伴随组织产生形变而不损伤组织,是构建柔性生物电子器件的理想材料(图4)。   基于甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶构建的贴附型生物电极具有比商业凝胶电极更加优异的信噪比和长期使用性能。商用凝胶电极长期(48h)暴露于空气中会由于失水从而丧失性能,甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶电极在7天后仍旧保持良好信噪比,实现对人体肌电信号的采集。甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶电极用于检测人体肌电信号,可实现对不同运动姿势和不同运动强度肌肉电信号的监测(图5)。  研究者通过将电纺纤维网络包埋于水凝胶,开发了一种制备超软、超薄、力学增强复合水凝胶的新策略,实现对不同粗糙物体表面的紧密共形贴附。该工作为超薄柔性生物电子提供新颖的设计和构建思路。
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    • 编译者:hujm
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    •   智能电子织物融合了电子工程与纺织工程领域的前沿技术成果,为人们提供更加智能化和便捷的生活体验。当前报道的大量智能电子织物中,许多都采用纤维交错(Fiber Crossbar,以下用“FC”指代)结构作为其基本单元。这种结构由两根纤维交叉构成,并在交错点处构成某种电子器件(图1)。当外部刺激(如电流)通过时,纤维交错点的某些特性(如电阻、电容)会发生变化,从而对外部刺激做出响应。FC结构是实现智能可穿戴衣物的有力支撑。首先,与集成电路架构相似,FC能够以点阵的形式,在面料的各个交错点之上布置数量庞大的器件,不仅节省了器件所占用的空间,更为整片面料赋予更为复杂的功能。其次,在FC结构中,相邻的器件之间能够相互协作,实现更为多样化的功能,使每根纤维不再孤立。这种紧密的结构可以将传感、运算、显示、供能等多种功能融合在一起。  为了全面梳理FC结构的范式与进展,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室张其冲项目研究员等与南洋理工大学魏磊副教授团队、中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员合作在国际材料科学领域顶尖期刊Advanced Materials上发表了题为 Fiber crossbars: an emerging architecture of smart electronic textiles的综述文章,全面介绍了智能织物中的FC结构的器件设计、材料选用、制造技术与应用进展。此外,还讨论了纤维交错结构在当前面临的瓶颈挑战和未来的发展趋势。   器件是实现一切功能的核心元素。一个FC结构即是一个功能器件,而多个FC结构可以组成更大的阵列,实现更为复杂的模块化功能。如图2所示,该综述首先讨论了基于FC的器件的工作机理、结构设计与材料选用,具体包括基于FC的电阻器(FC-based resistors)、电容器(FC-based capacitors)、纳米发电机 (FC-based nanogenerators) 、忆阻器(FC-based memristors)、晶体管 (FC-based transistors) 、发光器件(FC-based lighting devices)和能量器件(FC-based energy devices)。本篇综述详尽分析了主要文献中报道的FC器件在可穿戴电子领域的主要应用案例。FC器件的主要应用可分为四大类功能:传感、运算、显示、供能。在传感方面,电阻、电容和纳米发电机等感应元件被广泛应用于可穿戴运动监测和位姿监测,为用户提供精准的数据和指导;在运算方面,忆阻器和晶体管等计算元件被用于执行二进制存储、布尔逻辑运算和基于神经形态运算的模式识别,为可穿戴电子设备提供强大的计算能力;在显示方面,各类发光器件被用作基本阵列单元,实现了对基本字母和语句的准确显示;在供能方面,各类超级电容器和太阳能电池被用作获取能量的主要途径,实现了可观的能量收集和转化能力。   随着研究的不断推进,FC结构在未来的发展前景十分可观,有望重新塑造医疗护理、人际通讯乃至商用服装等领域的人因设计思路。尽管FC器件具有巨大的潜力,然而综述认为,当前纤维交错器件仍然面临着一些挑战(详见图3)。   其中,挑战一是功能集成度不足。目前FC器件的功能仅限于传感、运算、显示和供能等基本功能,而控制和信号交互等重要功能的集成度较低。此外,各类功能还未能有机统一、相互辅助,导致当前的FC系统还处于探索阶段,难以满足复杂应用的需求,离商业化还有很长的路要走。   挑战二是智能化水平低。由于集成度不足的问题,FC系统的智能化程度有限。虽然已经实现了数据存储、逻辑运算和神经形态运算的功能,但这些功能仍然比较原始,只能满足简单逻辑(例如“与/或”运算)和小数据量条件下的运算。增加FC传感与运算元件的数量和密度是实现更大规模数据采集和更精准的织物运算的前提条件。   挑战三是材料的生物相容性有待提高。一些FC器件所使用的材料价格较高,而且一些材料(例如重金属、无机物)具有生物毒性,可能会在长期穿戴条件下出现泄漏,从而对人体构成安全隐患。因此,需要进一步研究材料的安全性能,以确保FC器件的市场准入性。   挑战四是缺乏成熟的评价指标体系。由于FC器件是一种新型的电子器件,目前还没有建立统一的评价指标体系。不同的研究人员在不同的实验环境下使用不同的实验参数,得出的实验结果差异较大,这些结果难以比较,很难衡量各自的优势劣势,也使得对于各类新报道的FC器件的评估变得更加困难。因此,需要建立统一的评价指标体系,以便更好地评估FC器件的性能和功能。 过去几十年,传统的电子设备逐渐演变为可穿戴的智能设备,并进一步分化出可穿戴的智能织物设备。开发功能性纤维以取代传统的纱线和棉线,进而开发“将功能融入织物”的纤维交错器件,对可穿戴产品的发展具有重要的意义。FC器件已被广泛应用于传感、运算、显示和供能等基本功能,并在医疗护理、人际通讯、商用服装等领域展现出广阔的应用前景。然而,当前FC器件在功能集成度、智能化水平、材料生物相容性和评价指标体系等方面仍面临着诸多挑战。因此,需要进一步深入研究FC器件的技术及其应用场景,并积极解决存在的问题,以推动FC器件的商业化进程,并为人类社会的发展带来更大的贡献。   南洋理工大学博士生周旭辉是该论文的第一作者,中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员和南洋理工大学魏磊副教授等为本文的通讯作者。该论文工作获得了中国科学院“率先行动”引才计划等项目资助。