随着物联网和5G浪潮的兴起，人体柔性电子在生物监测、医疗健康评估、软机器人、和人机界面等领域引起了极大的关注，然而大量废弃的固态电子设备对电子废物（e-waste）管理提出了巨大的挑战。广泛且快速增长的塑料电子垃圾成为生态系统可持续发展和持续碳循环的艰难瓶颈。更严重的是，许多电子废物含有有害元素，如汞、砷、铬和铅，长期接触这些有毒副产品会导致严重的健康问题。为了消除电子废物不可忽视的不利影响，能够分解成低分子量成分的可再生或可降解材料，为构建可靠且环保的绿色电子产品提供了有效的途径，有利于降低电子废物废弃的风险，并促进医疗植入物的开发，而无需后处理
近日，电子科技大学许向东教授、谢光忠教授、苏元捷研究员等人报道了一种可伸缩、低成本、孔隙可降解的MXene-PLA纺织品(DMPT)，用于静电纺丝的人体生物监测。结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板法和MXene薄片浸渍法，制备的DMPT具有5.37/kPa的灵敏度、98 ms的快速响应时间和良好的机械稳定性(超过6000次循环)。此外，DMPT在腕部脉搏、关节弯曲、吞咽和发声等生理活动监测方面表现出良好的能力。这项工作为开发高性能可生物降解可穿戴电子产品提供了新的范式。
/ 复合纺织品的制备 /
首先通过经静电纺丝制备PLA纳米纤维，随后浸泡在不同浓度的MXene溶液（5、10、15和20 mg/mL）中，得到MXene@PLA复合膜。同时使用溶剂蒸发法制备PLA薄膜与PDMS薄膜，用于制备后续的复合纺织品。随后，对上述得到的PLA薄膜使用导电银胶进行丝网印刷得到带有银电极的PLA基板。然后，将MXene@PLA复合膜夹在叉指电极中，将PDMS薄膜和铜线的微观结构与叉指电极连接，最后，用PU透明胶带封装得到MXene-PLA复合纺织品(DMPT)（图1）。
图1.可降解MXene-PLA纺织品（DMPT）的合成过程和成分设计。
/ 形态分析 /
根据原子力显微镜，模板法使磨砂PDMS薄膜表面形貌粗糙，与未处理样品的31.1 nm偏差相比，其算术平均偏差为44.5 nm(图2a)。为了确定静电纺纺织品的晶体结构，进行了x射线衍射表征，如图2b所示。静电纺丝时的原始PLA纳米纤维表现出强烈的无定形图案，没有明显的晶体峰。对于MXene掺杂的复合材料，6.44°左右的峰是由于MXene薄片的层间距为1.37 nm，这表明蚀刻成功去除了Al层。
图2. DMPT和原始PLA纺织品的表征及降解性试验。
/ 降解前后的元素分析 /
将原始PLA纺织品和DMPT置于碳酸钠溶液(1 wt %,pH=11.6)中，评估其形态演变(图2e)。可以清楚地看到，随着降解天数的增加，这两种纺织品逐渐变得透明，这意味着发生了有效的降解。FTIR光谱进一步表明（图2c、d），降解后，?COC-与?C=O键的吸收强度比降低，说明部分酯键断裂，形成了聚合度较低的PLA附着在原始PLA织物上。此外，DMPT的?COC-与?C=O键的吸收强度比在降解前后基本保持不变，这是因为部分分解的PLA逐渐溶解在降解溶液中，DMPT亲水性的增强会促进PLA的降解。
/ 传感机制 /
所制备的复合纺织品传感机如图3a，b所示，当加载小压力时，压力传递到纳米纤维DMPT并压缩每根纤维之间的间距，这增强了复合材料中MXene填料的接触面积和导电路径，导致电导率增加（图3a）。静电纺丝纤维间的间隙距离随着外部压力的增加而减小，随着纤维构型的宏观变形接近完成，间隙距离逐渐饱和。随后，随着压力的继续增加，多层MXene纳米片开始在纳米级范围内变形，层间距（d2）因此减小，允许在MXene薄片内有更多的导电路线，这提高了MXene纳米片的导电性，从而提高了DMPT，如图3b所示。
进一步的，作者通过对磨砂PDMS膜和光滑PDMS膜组装的两种DMPT的输出性能进行了表征。如图3c所示，30 kPa左右的转折点将灵敏度拟合线分为两部分，即低压范围（0-30 kPa）和高压范围（30-100 kPa）。从该压力值开始，电导率变化位置从MXene/PLA纤维表面切换到MXene纳米片中间膜。由于MXene纳米片纳米尺度层间间距的挤压比MXene修饰纳米纤维之间的宏观尺度间隙距离要困难得多，因此较高压力范围内的灵敏度比低压范围内的灵敏度差。显然，与使用光滑PDMS薄膜制造的传感器相比，用磨砂PDMS薄膜组装的传感器在整个压力检测范围（0-100 kPa）下具有更高的灵敏度。
图3.DMPT的工作原理和压力传感性能。
/ 生理监测 /
为了研究DMPT的动态传感行为，作者测量了0.1 N/kPa卸载和加载时的实时电阻波形，如图4a所示。实时电阻随外部应力变化而立即变化，响应和恢复时间分别为98和75 ms，证明了快速刺激的时间识别能力。在1 Hz的恒定频率下对50 kPa压力进行6000次加载和卸载循环会导致电信号波动可以忽略不计（<3.4%），如图4b所示，这证明该器件具有良好的可重复性和长期稳定性。为了评估DMPT在区分不同物体方面的传感性能，作者还测量了制备的传感器在受到不同质量的各种物品时的实时响应曲线，如图4c所示，在对每个检测到的项目进行静态压缩时，响应曲线保持不变，并在移除测试对象后迅速恢复到基线，表现出良好的耐久性和重现性。
图4. 所制备的DMPT的动态输出性能和传感应用。
通过将DMPT安装在手腕上，可以精确地获得手腕脉冲波形（图4d），用于监测心血管系统中的许多生理参数。此外，将DMPT安装在指关节上，可以实时精确地检测单个手指的拉伸和弯曲（图4e）。图4f显示了摩斯电码符号对应于四个英文字母“U”、“R”、“O”和“S”的信号曲线，其中短按和延迟按下的波形可以准确区分，没有明显的基线偏移。该测试结果表明，该设备对人机界面中高精度编解码的细微手指触摸的动态响应敏感。此外，制备的DMPT可以戴在喉咙上，以监测颈动脉搏动，吞咽，说话和发声。如图4g所示。
/ 总结 /
在本工作中，作者开发了一种可扩展、低成本和孔隙率高的DMPT，用于通过静电纺丝进行人体生物监测。在1wt %碳酸钠溶液中观察到静电纺丝DMPTs的有效降解。FTIR和XPS分析结果表明，将MXene掺入静电纺丝的PLA纳米纤维中可以促进PLA的降解，从而诱导PLA更快地转化为小颗粒并在溶液中溶解。此外，还系统研究了MXene掺杂量和浸泡时间对DMPT传感性能的影响。所制备的DMPT在生理状态监测、物体识别和语音识别方面表现出很强的能力。
