蘇州納米所張珽團(tuán)隊(duì)PMS頂刊綜述：電紡纖維柔性電子：纖維制備，器件平臺(tái)，功能集成和應(yīng)用
在過去的二十年中，柔性電子產(chǎn)品因其獨(dú)特性質(zhì)在電子皮膚、人機(jī)界面、柔性顯示、可穿戴設(shè)備、便攜式能源裝置和植入式器械等領(lǐng)域的眾多潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。電紡纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能和可調(diào)控的物理化學(xué)性能，在用于制造新興的柔性電子產(chǎn)品方面展示出巨大的前景。本文全面回顧了基于靜電紡絲的柔性電子（圖1），包括電紡技術(shù)簡(jiǎn)介、電紡纖維多樣性、電紡纖維電子器件集成策略和各種器件平臺(tái)（包括電極、電阻、電容、壓電/ 摩擦電、電化學(xué)和晶體管等類型）。這些基于電紡纖維的柔性電子器件可以集成多種傳感模式、無線通信、自供電和熱管理功能。得益于電紡纖維優(yōu)異的柔韌性、堅(jiān)固性、高孔隙率、多樣化的纖維形態(tài)和組裝形式、重量輕、制備成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，電紡纖維柔性電子產(chǎn)品在個(gè)人醫(yī)療保健和人體監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著越來越重要的作用，可用于生物物理信號(hào)、生化信號(hào)和電生理信號(hào)檢測(cè)，并可作為植入式器件促進(jìn)細(xì)胞和組織再生。文章結(jié)尾，作者對(duì)現(xiàn)階段工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)電紡絲纖維的柔性電子領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。
圖1. 電紡纖維柔性電子性質(zhì)、類型及應(yīng)用示意圖
靜電紡絲廣泛用于制備具有非凡性能的超細(xì)纖維，其制備獲得的纖維產(chǎn)品具有高表面積、高孔隙率、柔韌性和結(jié)構(gòu)多樣化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物控釋、水處理、光電器件、儲(chǔ)能器件和柔性電子等眾多領(lǐng)域，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。自從2000年，發(fā)表的關(guān)于靜電紡絲的文章已超過5萬篇。于此同時(shí)，柔性電子產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。在過去的二十年里，發(fā)表的關(guān)于柔性電子的論文已超過3萬篇。特別是最近10年，電紡纖維柔性電子發(fā)展迅速，并且呈現(xiàn)持續(xù)迅速發(fā)展勢(shì)態(tài)，在2022年，發(fā)表的關(guān)于電紡纖維柔性電子的研究占比柔性電子整個(gè)領(lǐng)域超過2.5%。然而，關(guān)于電紡纖維柔性電子的高水平綜述文章依舊缺乏。為了填補(bǔ)該空缺，本文從電紡技術(shù)與電紡纖維制備、器件平臺(tái)、功能集成和應(yīng)用方面詳細(xì)總結(jié)電紡纖維柔性電子的研究進(jìn)展。
作者將電紡纖維柔性電子的發(fā)展分為四個(gè)階段：在第一階段（2000-2012年），研究人員主要專注于導(dǎo)電電紡纖維的制備和電學(xué)性能調(diào)控。2012年至2016年（第二階段），納米生物電子支架、納米纖維加速度計(jì)、可拉伸晶體管、柔性太陽能電池等基于電紡纖維的新型柔性電子器件開始進(jìn)入人們的視野，并因其優(yōu)異的性能而受到越來越多的關(guān)注。通過前兩個(gè)階段的發(fā)展，電紡纖維柔性電子在第三階段（2016-2020）在材料和器件原型方面取得了重大進(jìn)展。在此階段，科研人員探索了許多新穎的柔性電子設(shè)備，并在各種應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)其性能進(jìn)行了很好的檢驗(yàn)，例如用作可穿戴電子設(shè)備或植入式電子器件。這些柔性器件包括超薄納米纖維網(wǎng)柔性器件、全纖維電子器件、基于單纖維的人工突觸、心臟電子貼片等。自2020年以來（第四階段），基于電紡纖維的電子產(chǎn)品在發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量和設(shè)備性能方面都取得了爆炸性的進(jìn)步，并且這種快速的進(jìn)步仍在繼續(xù)之中。
電紡纖維的成分具有多樣性，可以通過聚合物、小分子、膠體和復(fù)合材料加工制備，使其物理和電學(xué)性能根據(jù)具體應(yīng)用具有高度的可調(diào)節(jié)性。在柔性電子器件中，電紡纖維可用作不同組件成分，如導(dǎo)電元件、基底材料、增強(qiáng)成分，甚至是構(gòu)建全纖維結(jié)構(gòu)器件。此外，受益于電紡纖維的多樣化結(jié)構(gòu)（例如，多孔、空心、核-殼、多通道和納米帶）及其組成多樣（例如，單纖維、紗線、對(duì)齊纖維、隨機(jī)纖維、纖維墊和 3D 多孔結(jié)構(gòu)）, 電紡纖維使得柔性電子器件具有一系列特殊優(yōu)勢(shì)，包括柔韌性、透明性、導(dǎo)電性、透氣性、自愈能力和耐洗性，賦予設(shè)備高性能和某些獨(dú)特的功能?；陟o電紡絲纖維的電子產(chǎn)品可以作為不同的平臺(tái)，包括拉伸電極、電阻傳感器、電容傳感器、摩擦/壓電傳感器、晶體管、納米發(fā)電機(jī)和植入式設(shè)備等，用于監(jiān)測(cè)一系列人體活動(dòng)、電生理信號(hào)、生物分子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地獲取個(gè)人健康信息。
文章共包含六個(gè)章節(jié)：第一章為背景介紹，第二章為靜電紡絲技術(shù)和電紡纖維，第三章關(guān)于電紡纖維柔性電子平臺(tái)，第四章關(guān)于電紡纖維柔性電子器件的功能集成，第五章關(guān)于電紡纖維柔性電子的應(yīng)用場(chǎng)景，第六章為總結(jié)和展望。
在背景介紹中，作者介紹了電紡纖維柔性電子研究背景。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電紡纖維柔性電子受到人們的關(guān)注迅速上升。經(jīng)過近二十幾年的發(fā)展，無論器件形式還是器件性能都獲得了巨大的進(jìn)步（圖2）。電紡纖維的眾多特性賦予了柔性電子獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使其可廣泛應(yīng)用于健康檢測(cè)各個(gè)方面。
圖2. 過去二十年電紡纖維柔性電子重要研究進(jìn)展
靜電紡絲技術(shù)和電紡纖維章節(jié)中，作者介紹了靜電紡絲技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史、靜電紡絲技術(shù)原理（圖3）、不同靜電紡絲方法、用于制備電紡纖維的材料、電紡纖維結(jié)構(gòu)多樣性和電紡纖維的規(guī)模化制備技術(shù)。其中，用于制備電紡纖維的材料種類多樣，包括聚合物、小分子、膠體和復(fù)合材料。
圖3. 靜電紡絲裝置及原理示意圖
電紡纖維柔性電子平臺(tái)章節(jié)中，作者首先介紹了電紡纖維用作柔性電子平臺(tái)具有多重優(yōu)點(diǎn)，包括材料多樣性、纖維形貌多樣性、大比表面積、柔韌性、透氣性等。接著，介紹了電紡纖維用于制備柔性電子的制備策略，可用作柔性電子的基底材料、增強(qiáng)成分、電活性成分，甚至用于制備全纖維結(jié)構(gòu)器件。電紡纖維組裝體具有結(jié)構(gòu)多樣性特點(diǎn)，柔性電子器件可基于其單纖維結(jié)構(gòu)、紗線結(jié)構(gòu)、二維纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、三維纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、纖維復(fù)合水凝膠，制備的柔性電子具有結(jié)構(gòu)多樣性（圖4），極大豐富了電子器件的結(jié)構(gòu)類型，滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求，如拉力、壓力、溫度、濕度、氣體和電化學(xué)傳感等。
圖4. 基于不同結(jié)構(gòu)纖維組裝體的柔性電子
電紡纖維柔性電子器件的功能集成章節(jié)中，作者介紹了電紡纖維柔性電子器件的功能集成，包括多模態(tài)（圖5）、自供能、無限通訊功能、熱管理、自清潔和生物相容性功能的傳感裝置和系統(tǒng)。上述功能的集成，有利于電紡纖維柔性電子更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
圖5. 多模態(tài)電紡纖維傳感器及傳感系統(tǒng)
電紡纖維柔性電子具有眾多應(yīng)用場(chǎng)景，該章節(jié)中，作者重點(diǎn)介紹了用于人體生物物理信號(hào)、生物化學(xué)信號(hào)、生物電信號(hào)（圖6）的檢測(cè)和作為植入式生物電子用于促進(jìn)細(xì)胞和組織再生。
圖6. 電紡纖維柔性電子用于生理電信號(hào)檢測(cè)
在總結(jié)和展望中，作者表示，雖然電紡纖維柔性電子已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但是仍舊面臨諸多挑戰(zhàn)，例如，直接制備高導(dǎo)電纖維、纖維器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、功能集成和規(guī)?；苽涞取＝鉀Q上述問題，實(shí)現(xiàn)電紡纖維柔性電子器件服務(wù)于人們?nèi)粘Ｉ钜廊贿€有很長(zhǎng)的路要走。
該綜述論文以Electrospun Fiber-Based Flexible Electronics: Fiber Fabrication, Device Platform, Functionality Integration and Applications為題，發(fā)表在材料科學(xué)頂級(jí)期刊Progress in Materials Science上。中科院蘇州納米所張珽研究員為該綜述通訊作者，高強(qiáng)博士后為該論文第一作者，共同作者還包括靜電紡絲領(lǐng)域著名學(xué)者德國(guó)拜羅伊特大學(xué)的Seema Agarwal教授和Andreas Greiner教授。該研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（第72批）的資助。
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