西安工程大学杨杰/王琛教授 ACS AMI：兼具防潮功能和高灵敏/可靠性的MXene人体健康监测传感器

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伴随大健康产业的快速发展，以智能手环、可穿戴健康管理设备为代表的智能医疗类消费电子产品应运而生。从满足穿戴舒适度的角度出发，柔性压力传感器具有人体贴合性好、柔韧性高和可变形的特性，能够适应人体运动过程中对器件高变形能力和长使用寿命的需求。MXene材料拥有超高的电导率和灵活可调的层间距，是适合开发新一代柔性压力传感器的理想响应材料之一。然而，MXene材料在水-氧双重作用下易发生氧化，使得传感器和皮肤/汗液长期接触过程中，器件灵敏度和可靠性不断降低。

针对上述问题，西安工程大学杨杰/王琛教授研究团队采用纳米纤维素插层联合表面疏水改性策略，将细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC）引入到Ti₃C₂T_x MXene层间，并赋予BC/Ti₃C₂T_x (HBT)复合膜优异的耐水功能（图1）。细菌纤维的插入促使MXene片层被有效分离，膜层内部导电网络结构进一步优化，赋予HBT压力传感器高的响应灵敏度。同时，HBT薄膜表面优异的疏水性能可防止水分子的侵入，赋予传感器良好的耐水防潮能力，有效解决了MXene可穿戴传感器面临的响应性能降低问题。所研制的传感器可用于不同状态下人体全范围运动信号的实时、有效监测。该研究以“Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring”为题发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，西安工程大学校聘副教授杨杰博士为本文通讯兼第一作者，王琛教授为共同第一作者。

图1 HTB复合传感薄膜的制备过程示意图 图2 HTB复合膜的（a, b）光学照片，（c）表面、（d，e）截面SEM显微图像和（f）元素分布。图3 HBT薄膜复合膜化学组分分析（a）X-射线衍射图谱，（b）XPS全谱，HBT复合膜高分辨XPS谱图：（c）F1s谱和（d）F1s谱。 图4 BT复合膜和HBT复合膜疏水性能对比。（a）BT薄膜和（b）HBT薄膜表面水接触角和水中浸泡前、后光学照片，（c，d）BT和HBT薄膜电导率随水中浸泡时间变化关系曲线。图5 HTB柔性压力传感器响应性能。（a）HBT压力传感器灵敏度曲线；（b）传感器在微小压力小的实时电流变化，（c）传感器检测限、（d）响应、恢复时间以及（e）循环稳定性.
图6（a）BT和HTB柔性压力传感器在水中浸泡前、后的实时电流变化曲线对比，HBT传感器水中浸泡后的（b）灵敏度曲线和（c）循化寿命。 图7 HTB柔性压力传感器用于人体运动信号的检测。用于监测测（a）触摸、（b）膝盖弯曲、（c）发音以及（d）腕部脉搏信号，（e）用于识别运动前、后出汗状态下的面部表情。

论文信息：

Jie Yang,* Chen Wang, Liyuan Liu, Hongli Zhang, Jianhua Ma. Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring. ACS Applied Materials & Interfaces 2022. 

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03731

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