学术研究报告：基于界面多重共价反应的高灵敏度、耐擦洗、透气可穿戴蚕丝纱线传感器及其健康管理应用

作者及发表信息
本研究的通讯作者为浙江理工大学纺织科学与工程学院的Hou-Yong Yu教授，第一作者为Yanjuan Dong（博士生）。合作团队包括Dewen Xu、Qingling Mi、Fengyuan Zou、Xiang Yao等研究人员。研究成果发表于《Nano Energy》期刊2023年10月第115卷，文章编号108723。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于柔性电子与智能纺织品的交叉领域。随着可穿戴电子设备的快速发展，兼具舒适性、高拉伸性和传感功能的织物传感器成为研究热点。蚕丝（silk）因其天然来源丰富、机械性能优异、生物相容性好等特点，被视为理想的可穿戴传感器基材。然而，蚕丝本身绝缘的特性限制了其在电子领域的应用。传统方法（如物理负载导电单元）存在导电材料易聚集、结构不稳定等问题。因此，本研究提出了一种基于化学共价键反应的新型导电蚕丝纱线制备方法，旨在解决上述瓶颈。

科学问题与目标
研究团队的目标是开发一种具有高灵敏度、耐擦洗性、机械鲁棒性和透气性的蚕丝基传感器，并探索其在健康管理（如睡眠监测、体能测试、蚊虫捕捉）中的应用。

研究流程与方法

1. 导电蚕丝纱线的制备
研究通过以下步骤构建导电蚕丝纱线（SACP）：
- 步骤1：二醛纤维素纳米晶（DACN）的合成
以微晶纤维素（MCC）为原料，通过高碘酸钠（NaIO₄）氧化制备DACN，其表面富含醛基（9.8 mmol/g）。
- 步骤2：蚕丝纱线（SY）与DACN的希夫碱反应（Schiff-base reaction）
将纯蚕丝纱线浸入DACN悬浮液，通过蚕丝氨基与DACN醛基的共价键结合，形成Silk/DACN（SAC）复合纱线。
- 步骤3：吡咯（Pyrrole）的原位聚合
在SAC表面，通过DACN的羟基引发吡咯单体聚合，形成聚吡咯（PPy）导电网络，最终得到Silk/DACN/PPy（SACP）复合纱线。其中，最优化的SACP₀.₂（吡咯负载量0.2 g）表现出最佳性能。

2. 材料表征与性能测试
- 形貌分析：扫描电镜（SEM）显示，SACP₀.₂表面形成致密的苔藓状PPy导电网络（图2）。
- 化学结构验证：傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）证实了希夫碱反应和PPy的成功接枝（图3）。
- 热稳定性：热重分析（TGA）表明，SACP的降解温度较纯蚕丝提高约20°C，归因于共价键的稳定作用。
- 机械性能：SACP₀.₂的拉伸强度达240 MPa，断裂伸长率为18.6%，可承受自身重量7万倍的负载（图4）。

3. 传感器性能评估
- 导电性：SACP₀.₂的电导率为530 S/m，优于多数文献报道的导电织物（图5）。
- 灵敏度：应变传感的灵敏度（GF值）分两阶段：低应变阶段GF=27（高灵敏度），高应变阶段GF=5.06（图6a）。
- 耐久性：在12,000次拉伸-释放循环后仍保持稳定信号输出（图6c）。
- 环境稳定性：经30次水洗或摩擦后，电阻变化率分别稳定在150%和初始值附近（图6e-h）。

主要结果与逻辑链条

1. 界面共价键设计：通过希夫碱反应和原位聚合，PPy导电层牢固附着于蚕丝表面，解决了物理负载法的脱落问题。
   
2. 高灵敏度机制：低应变下，导电网络从并联转为串联，导致电阻显著增加（GF=27）；高应变下仅路径延长，灵敏度降低（GF=5.06）。
   
3. 多功能应用验证：
   
   • 人体运动监测：SACP传感器可实时检测吞咽、呼吸、关节弯曲等动作（图7）。
     
   • 大学生体能测试：集成于智能腕带，监测心率并识别引体向上动作规范性（图8）。
     
   • 睡眠健康管理：通过眼罩、呼吸面具捕捉眼动、呼吸频率，区分深浅睡眠（图9）。
     
   • 蚊虫捕捉装置：利用SACP的导电性设计仿生陷阱，通过电信号触发灭蚊（图10）。
     

结论与价值

科学价值
1. 首次通过界面多重共价反应构建了导电蚕丝纱线，为柔性传感器提供了新的材料设计策略。
2. 揭示了高灵敏度传感的机制（并联-串联电路转换），为后续研究提供理论依据。

应用价值
1. 健康管理：可实现从生理信号监测到疾病预警（如睡眠呼吸暂停）的多场景应用。
2. 智能纺织：通过传统缝纫技术集成传感器，保留了织物的舒适性和透气性。

研究亮点

1. 方法创新：首次将希夫碱反应与原位聚合结合，实现导电层的稳定负载。
   
2. 性能突破：SACP₀.₂的综合性能（导电性、灵敏度、耐久性）优于同类传感器。
   
3. 应用拓展：从基础材料到多功能设备的一体化设计，展示了可穿戴技术的跨界潜力。
   

其他价值
研究还开发了基于SACP的蚊虫捕捉装置，结合人类皮脂气味（癸醛和十一醛）诱蚊，通过电击灭蚊，为公共卫生领域提供了新思路。