天津工业大学李秋瑾副教授、巩继贤教授课题组《ACS AMI》：AuNWs/Textiles高灵敏度可水洗柔性传感器

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在当前的技术背景与应用场景下，普通个体用户经常被各种方式激励以获取自身健康参数。可穿戴柔性材料遇到了前所未有的发展驱动与挑战。人们日常生活中几乎无时无刻不在接触各类纺织品，因此纺织材料本身向电子器件化的变革势在必行。纺织材料压阻式压力传感器是可穿戴设备的重要分支之一。

近期，天津工业大学李秋瑾副教授、巩继贤教授团队在纺织材料高灵敏度压阻式压力传感器领域中取得新进展，研究了金纳米线(AuNWs)/棉针织物复合物为元件的高灵敏度可穿戴压力传感器，为纺织材料传感器件的设计与研发提供了有益补充，相关成果以标题为“Washable Patches with Gold Nanowires/Textiles in Wearable Sensors for Health Monitoring”发表于ACS Applied Materials & Interfaces。论文通讯作者为李秋瑾副教授、巩继贤教授，天津工业大学纺织科学与工程学院博士研究生赵芷芪为第一作者。此研究得到国家重点研发计划，天津市自然科学基金等资助支持。

图1 可水洗AuNWs/Textiless压阻传感贴片用于人体健康参数监测与评价

图2 AuNWs/Textiless压力传感贴片的压阻性能. (a) 压力范围为50 Pa到2000 Pa内的电阻变化(ΔR/R)与外力加载时间的关系; (b) 连续变化加载作用下ΔR/R; (c) 加载为50, 100, 200, 1000, 2000 Pa下的ΔR/R; (d) 加载与卸载外力下信号响应时间(25 Pa); (e) 最小响应加载; (f) 加载与卸载外力循环下ΔR/R(使用重复性与滞留性能); (g) 应变变化(0~73%)下ΔR/R; (h) 30000 sec外力循环下ΔR/R重复性变化。

实验通过将制备得到的AuNWs与棉针织物结合，并与Ag丝网印刷电极相结合，组成压层结构，并以parafilm封装，实现了防水压阻式压力传感器的制备，且可通过热压方式与服装结合。利用针织物固有的构筑结构与拉伸性能，作为AuNWs沉积的支撑及导电变化通路，通过与印刷电极的组装，得到了压阻式压力传感贴片。该压力传感贴片具有灵敏度高（914.970 kPa^-1, <100 Pa），响应快速（Load: 38 ms, recovery: 34 ms）及低检测限（0.49 Pa, 5.0 mg）的特点，且信号输出稳定持续（图2）。

图3 (a) AuNWs/Textiles传感贴片与其他已报道传感器的比较; (b) 不同外加压力作用下灵敏度; (c) 应变系数(GF_n)随不同应变的变化; (d) 传感贴片对于不同单词发音的输出信号; (e) 传感贴片对于咳嗽与吞咽的输出信号; (f) 传感贴片对于面部口周运动的输出信号.

该AuNWs/Textiles传感贴片灵敏度高，为914.970 kPa^-1（0~0.1 kPa），可置于面颌部及咽喉部位，对人体微弱运动产生稳定且规律的输出信号，工作良好。其可区分出不同音节，不同重音的单词，一些细微的差异亦可被识别。对于咳嗽、吞咽、微小、张嘴等细微动作引起的压阻信号可实现连续稳定的采集（图3）。

图4 AuNWs/Textiles贴片用于测定颈动脉(a), 桡动脉(b), 脉搏波(c), 心跳(d), 心跳搏动波形图(e), 呼吸(f)等人体生理健康指标参数。

除了面颌部和咽喉部微弱动作，该AuNWs/Textiles传感贴片还可以用于脉搏、心跳与呼吸的监测与跟踪（图4）。对于动脉（颈动脉CA、桡动脉RA）搏动，均可得到稳定输出信号，波形具有高度重复性。在低强度运动状态中，受试者脉搏波动约为105 beats/min，当运动后休息回复过程中，脉搏约为78 beats/min（CA）及84 beats/min（RA），上述结果均在人体正常脉搏参数范围之内（60~100 beats/min）。在松弛状态下，该贴片可实现桡动脉脉搏波高分辨率跟踪，可清晰显示由血流产生的冲击波（P1）、收缩期晚期波（P2）及舒张波（P3），进一步可得到桡动脉扩大指数（ArI=P2/P1）约为60%，表明该29岁女性受试者心血管状况正常。运动30 min后，使用压阻传感贴片测试受试者心跳，约为108 beats/min；松弛状态下，约为84 beats/min，与图4a-c中颈动脉和桡动脉脉搏的结果一致。由监测数据可知，运动后心率加快约1.3倍，心跳幅度提高约1.3-2.5倍。该贴片所得心跳波动放大图可更清楚地观察到一个心跳周期（图4e），显示为三个可区分阶段：G-H、I-J-K和L-M-N，分别对应于收缩前、收缩和舒张阶段。此外，呼吸状态（频率、深浅）及其他人体常规运动即可被AuNWs/Textiles传感贴片准确监测。

图5 AuNWs/Textiles贴片置于前臂位置处，皮肤佩戴舒适性说明(a)-(d).

该AuNWs/Textiles传感贴片具有优良的可水洗性能。5次水洗循环后，电阻增加8.9%，灵敏度降低8.4%；5次皂洗循环后，电阻保留率为90.3 %，灵敏度保留率94.0 %。该贴片可通过简单热压直接与服装结合，且具有很好的佩戴舒适性。直接于前臂位置上佩戴48小时，皮肤常规生理参数，包括温度、水分、含油量、弹性和状态等级均维持良好状态（图5）。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c01729

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