北京林业大学杨俊课题组综述：纤维素基柔性器件材料

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随着对可穿戴传感器（精确监测人体或周围环境生命体征）的需求不断增长，激发了研究人员对可生物相容和生物降解材料的不懈追求。纤维素作为地球上存量最丰富的天然高分子材料，具有良好的生物相容性和生物降解性、易于加工成多种形态的材料、可持续大规模生产以及固有的形状各向异性、表面电荷/化学性质、优异的物理机械性能等综合优点。在过去的几年里，这些独特的优势极大地推动了可穿戴和智能纤维素传感器的不断创新。随着材料加工制造技术的快速发展和研究的进步，纤维素已经被设计成多维结构，包括1D（纳米纤维、纤维和纱线）、2D（纸张、薄膜和织物）和3D（水凝胶、气凝胶、泡沫和海绵），可进一步转化为具有可定制结构和性能的导电碳材料。纤维素衍生的材料凭借其独特的优势，已发展成为可穿戴传感器的柔性生物基体，传感层，电极和活性成分。

为此，北京林业大学杨俊课题组在Materials Chemistry Frontiers期刊发表了题为“Emerging Cellulose-Derived Materials: A Promising Platform for Design of Flexible Wearable Sensors Toward Health and Environment Monitoring”的综述文章，系统总结了基于纤维素衍生材料的柔性可穿戴传感器的最新研究进展，并对目前面临的关键问题，挑战和未来的方向阐述了观点。

图1. 基于纤维素衍生材料的柔性可穿戴传感器及其潜在的应用

该综述首先简要介绍了纤维素及其衍生材料的类别，结构和性质，并总结了纤维素衍生材料的加工技术和形态，特别分析了纤维素衍生的碳材料形成的机理。然后重点讨论了不同维度的纤维素衍生材料（1D：纳米纤维、纤维和线，2D：纸，薄膜和棉布，3D：水凝胶、气凝胶和海绵）在柔性可穿戴传感器方面的应用，包括生物物理传感器、生物化学传感器、环境传感器以及自供电传感器。最后该综述对纤维素衍生材料的优缺点及未来面临的挑战进行了深入分析，包括纤维素衍生材料的生物相容性，可调节的结构和形态，纤维素基多功能和高性能传感器等问题，并对纤维素衍生材料的基础研究以及加工-结构-性能-应用关系进行了展望，包括基于基础研究和先进加工技术，纤维素衍生材料多尺度微观结构（如各向异性结构、蜂窝结构）的构建；基于纤维素天然属性，类皮肤、生物相容、可植入的生物电子的制备；开发先进的技术，制备多功能集成的电子设备，如发电，储能，无线传感技术；结合先进的功能材料和材料加工技术，制备新功能和独特结构的纤维素水凝胶、纤维素纸和棉布，探索其在自供电传感，柔性储能设备，一次性护理设备等方面的应用；将纤维素材料与3D打印技术相结合，大规模构建形态结构可控、理化性能可定制的纤维素基功能材料，将在传感、能源、医药等多个领域发挥关键作用；基于可穿戴的药物和细胞传递系统，可将生物活性成分引入到纤维素基质用于研究药物和细胞递传递等。

论文第一作者为北京林业大学材料学院博士研究生符庆金，通讯作者为北京林业大学材料学院杨俊副教授。

论文链接

https://doi.org/10.1039/D0QM00748J

除了总结纤维素衍生材料用于健康和环境检测的柔性可穿戴传感器，杨俊课题组还在ACS Applied Bio Materials (2021, 4, 85–121)上发表题为“Recent Progress in Natural Biopolymers Conductive Hydrogels for Flexible Wearable Sensors and Energy Devices: Materials, Structures, and Performance”的综述文章，全面总结了天然高分子导电水凝胶在柔性可穿戴传感器和能源设备方面的研究进展。

本文综述了基于纤维素、壳聚糖、丝素蛋白、明胶的天然高分子导电水凝胶在柔性传感器件方面的最新研究进展。简要介绍了上述四种典型天然高分子材料的化学结构和物理化学性质，并详细讨论了它们在各种导电水凝胶传感器中的应用。此外，该综述对基于天然高分子导电水凝胶传感器的进行了分类，并总结了其性能指标。最后，该综述指出制备高性能天然高分子聚合物导电水凝胶的机遇与挑战，包括天然高分子的生物学特性和聚合物分子链中丰富的官能团，柔韧性、导电性和源于丰富表面官能团的自愈合性和自粘性，以及具有环境适应性的天然高分子导电水凝胶的开发（如抗干、抗冻等性质）。

论文第一作者为北京林业大学材料学院研究生崔晨、符庆金、孟蕾，通讯作者为北京林业大学材料学院杨俊副教授。

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.0c00807

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