随着生物科学和技术的快速发展，可穿戴电子设备正朝着灵活性、便捷性、多功能性和用户友好性的高级趋势发展。在此背景下，郑州大学申长雨院士、刘春太教授、刘虎博士将聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-共-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯(SEBS)用于辅助银纳米粒子(AgNPs)与聚酰亚胺纳米纤维(PIF)的强结合，以获得具有抗菌和疏水能力的耐用PIAgS导电纳米纤维膜。由于纳米纤维膜的多孔纤维骨架和良好的界面粘附性，AgNPs可以均匀地锚定在纤维表面，构建稳定且完美的三维导电网络，具有高达2102.7 S/m的超高导电性，使所得导电纳米纤维膜具有优越的生物电信号（肌电/心电）传感、压力传感（S = 1.45 kPa−1, 100 kPa）用于深度学习辅助手势识别、电磁干扰（EMI）屏蔽（18757.8 dB·cm2·g−1）和电加热（12.2 °C/V2）性能。此外，作为一种多功能可穿戴电子设备，AgNPs的抗菌能力和纳米纤维膜的透气性可以确保其足够的穿戴安全性和舒适性。重要的是，PIF和SEBS的固有耐候性也赋予了其出色的稳定性和广泛的使用寿命。总之，设计的导电纳米纤维膜具有作为下一代多功能可穿戴电子设备的巨大应用潜力，具有出色的稳定性和广泛的适用性。该研究以题为“Multifunctional Wearable Conductive Nanofiber Membrane with Antibacterial and Breathable Ability for Superior Sensing, Electromagnetic Interference Shielding, and Thermal Management”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1展示了PIAgS导电纳米纤维膜的制备过程和其在多功能应用中的示意图，包括生物电信号和压力传感、电磁干扰屏蔽和焦耳加热。通过非溶剂诱导相分离（NIPS）和原位还原过程，银前驱体在聚酰亚胺纳米纤维（PIF）表面原位还原成均匀的银纳米粒子（AgNPs）层，同时沉淀的SEBS膜与PIF纳米纤维表面通过良好的界面粘附性结合，构建了稳定且连续的三维导电网络。这种结构赋予了导电纳米纤维膜出色的电导率、抗菌性和透气性，使其适合作为可穿戴电子设备，能够在人体皮肤上长时间使用，同时具备良好的稳定性和广泛的服务寿命。图1. PIAgS导电纳米纤维膜的制备过程和多功能应用示意图【PIFM及不同PIAgS导电纳米纤维膜的形貌和特性】图2展示了PIFM（聚酰亚胺纳米纤维膜）以及不同银负载量PIAgS导电纳米纤维膜的形貌和特性。结果显示，引入银纳米粒子（AgNPs）和聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-共-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯(SEBS)后，导电纳米纤维膜的电导率显著提高，同时保持了良好的机械强度和热稳定性。此外，由于SEBS的引入，纳米纤维膜展现出优异的疏水性能，水接触角增大，水滑动角减小，表现出较低的液体粘附力和出色的自清洁能力。抗菌测试表明，PIAgS12样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有极高的抗菌效率。这些特性表明，PIAgS导电纳米纤维膜不仅具备良好的电导性和机械性能，还具有抗菌和透气功能，适合作为可穿戴电子设备的材料，确保了穿戴的安全性和舒适性。图2. PIFM及不同PIAgS导电纳米纤维膜的形貌和特性【PIAgS12导电纳米纤维膜的生物电和压力传感性能验证】图3验证了PIAgS12导电纳米纤维膜在生物电信号和压力传感方面的性能，通过实验展示了该材料能够有效地区分和记录不同握力水平下的肌电信号，并且能够捕获稳定且可重复的肌电信号，用于监测循环的握紧和放松手臂肌肉动作，显示出在物理活动障碍患者主动康复中识别其运动意图的潜力；同时，PIAgS12电极也用于心电图信号监测，获得了清晰的心电图信号，并能够准确捕获运动和休息状态下的明显心电图信号变化，与商业凝胶电极相比，PIAgS12电极在生物电信号传感方面显示出更好的性能，尤其是在汗水干扰下依然能够保持信号的清晰度，为心血管疾病的早期监测提供了重要的指导意义。此外，通过将PIAgS12导电纳米纤维膜与叉指电极组装成压力传感器，测试了其对外部压缩的实时相对电流变化，结果表明传感器在初始压缩范围内具有较高的压力灵敏度，并且在不同的压力水平下显示出优秀的重复性和恢复性，能够稳定、准确和连续地识别各种负载，且组装的压力传感器响应和恢复时间快，经过万次压缩循环后仍能保持稳定的响应模式，表现出良好的结构稳定性和长期耐疲劳性，证明了其在可穿戴电子皮肤中的应用潜力。图3. PIAgS12导电纳米纤维膜的生物电和压力传感性能验证【基于PIAgS12压力传感器的人体活动监测和深度学习辅助手势识别】图4展示了基于PIAgS12压力传感器的人体活动监测和深度学习辅助手势识别的应用。通过将PIAgS12压力传感器固定在人体不同部位，能够准确捕获人体脉搏信号和大规模关节运动，如手腕和膝盖的弯曲，并且能够根据五个手指关节的电信号准确识别出不同的手势。此外，研究者们开发了一个基于残差网络模型的深度学习算法，用于手势识别，该算法通过残差连接解决了梯度消失问题，并在仅3个训练周期后达到了100%的预测精度，证明了深度学习算法具有良好的泛化能力。通过t-SNE聚类图显示，不同类别的手势信号数据点被有效地分类，表明深度学习算法能够有效地区分复杂的手势。因此，PIAgS12压力传感器结合深度学习算法能够实现实时手势识别的高准确度。图4. 基于PIAgS12压力传感器的人体活动监测和深度学习辅助手势识别【PIAgS导电纳米纤维膜的电磁干扰屏蔽性能和屏蔽机制】图5展示了PIAgS导电纳米纤维膜的电磁干扰（EMI）屏蔽效能和屏蔽机制。通过改变银前驱体浓度和涂层次数，研究了不同PIAgS样品的EMI屏蔽性能，发现随着银含量的增加，屏蔽效能显著提高，且通过增加涂层次数进一步提升。分析了屏蔽机制，表明PIAgS导电纳米纤维膜的屏蔽效果主要依赖于反射而非吸收，这有助于减少二次电磁污染。此外，通过实验验证了PIAgS样品在极端温度条件下的EMI屏蔽性能，证明了其在不同温度环境中的稳定性。最后，通过特斯拉线圈无线传输实验，展示了PIAgS12样品在阻挡电磁波传播方面的实际应用潜力。研究结果表明，PIAgS导电纳米纤维膜因其优异的导电性和稳定的EMI屏蔽性能，非常适合用作高性能的可穿戴电磁防护材料。图5. PIAgS导电纳米纤维膜的电磁干扰屏蔽性能和屏蔽机制图6展示了PIAgS12电热器件的焦耳加热性能。实验观察到，在施加不同直流电压后，PIAgS12能够基于焦耳热效应迅速加热，并且在不同电压下达到不同的稳定温度，显示出良好的温度控制能力。同时，PIAgS12在反复的加热/冷却循环中表现出优秀的电热稳定性和耐久性，其快速的响应时间和高电热效率（12.2 °C/V2）远超过其他报道的焦耳加热材料，证明了PIAgS12作为可穿戴热管理材料的潜力，能够在保证日常使用安全的同时显著提升人体舒适度，并为可穿戴技术提供多种功能性应用。该研究展示了一种利用设计的PIAgS导电纳米纤维膜的多功能可穿戴电子设备，通过SEBS的使用有效确保了AgNPs与PIF之间的强结合，构建了强健且完美的三维导电网络。由此形成的高导电性AgNPs层使导电纳米纤维膜具有2102.7 S/m的卓越电导率和出色的抗菌活性，为各种可穿戴应用奠定了坚实的基础。因此，该导电纳米纤维膜展示了优越的焦耳加热效率（12.2 °C/V2）、高电磁干扰屏蔽效能（18757.8 dB·cm2·g−1）、良好的生理信号（ECG/EMG）监测和令人印象深刻的压力传感性能（S = 1.45 kPa−1, 100 kPa）。值得注意的是，借助深度学习算法的辅助，使用压力传感器实现了100%的手势识别预测精度。重要的是，PIF和SEBS的固有耐候性以及坚固的AgNPs层可以有效地确保导电复合膜的稳定性，最终维持在水、汗水、高/低温和机械变形等不同环境条件下的功能稳定性，使其适用于不同的穿戴场景。最终，设计了一种新型的可穿戴多功能电子材料，展示了下一代可穿戴电子设备的显著应用潜力。原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202414811
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