福州大学赖跃坤等三校合作综述：电纺纳米纤维基复合材料用于监测物理、生理和体液信号

研究背景

近年来，柔性电子皮肤(E-skin)设备作为一种可穿戴技术，在模仿人体皮肤功能的同时融入了其他功能，引起了人们的极大关注和研究兴趣。目前，电子皮肤传感器主要用于两个平台：人体和智能机器人(人工假肢)。在人体应用方面，传感器主要检测各种人体信号，包括物理信号(即脉搏、关节运动、面部运动、体温和呼吸等)、生理信号(即心电图(ECG)、肌电图(EMG)、脑电图(EOG)和脑电图(EEG))以及体液信号(即汗液、唾液、尿液和血液等)。人们开发并利用各种类型的材料进行人体信号传感，其中纳米纤维膜(NFM)与其他材料的复合材料引起了研究人员的广泛兴趣。水凝胶、气凝胶和金属材料经常被用作电纺纳米纤维膜的复合成分。作为最常用的电子皮肤传感器形式，水凝胶具有与人体组织相似的高含水量和可变机械性能等固有特性。将水凝胶与NFMs相结合，既具有水凝胶的功能特性，又具有纳米纤维的结构优势(优异的机械特性和拓扑结构)。此外，NFMs的加入还能在气凝胶结构中形成增强网络，从而显著增强气凝胶的强度。这种增强不仅大大提高了纳米纤维/气凝胶复合材料的机械强度和耐久性，还拓宽了它们在柔性电子领域的潜在应用。此外，将金属材料集成到纳米纤维/气凝胶中还能在纳米纤维/气凝胶结构中实现金属元件的精确图案化和嵌入，从而增强其与柔性电子器件的兼容性。这有助于开发复杂的多功能器件，使其能够满足特定的性能要求，并能承受具有挑战性的环境条件。

Recent Progress of Electrospun Nanofiber-Based Composite Materials for Monitoring Physical, Physiological, and Body Fluid Signals

Fang Guo, Zheng Ren, Shanchi Wang, Yu Xie, Jialin Pan, Jianying Huang, Tianxue Zhu*, Si Cheng*, Yuekun Lai*

Nano-Micro Letters (2025)17: 302

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01804-2

本文亮点

1. 综述了用于监测物理、生理和体液信号的电纺纳米纤维基复合材料的最新进展，尤其关注纳米纤维基复合材料的设计策略。

2. 全面回顾并讨论了电纺技术、纳米纤维形态、纳米纤维膜的制造以及纳米纤维与水凝胶、气凝胶或金属等材料的整合。

3. 讨论和分析了用于人体监测的基于纳米纤维的复合材料当前面临的挑战和未来前景。

内容简介

柔性电子皮肤传感器为检测人体信号、实现人机交互和推动智能机器人技术的发展提供了创新解决方案。电纺纳米纤维具有优异的机械性能、轻质以及可调透气性，因此特别适合电子皮肤应用。基于纳米纤维的复合材料为三维结构材料，将一维聚合物纳米纤维与其他功能材料集成在一起，实现了高效的信号转换，是下一代智能电子产品的理想平台。近日，苏州大学程丝团队联合福州大学赖跃坤教授，安徽农业大学朱天雪教授对电纺纳米纤维基复合材料的研究进展进行了系统性的评述，旨在推动下一代柔性电子器件的设计和应用，促进多功能传感和健康监测技术的突破。首先概述了电纺技术，包括远场静电纺丝、近场静电纺丝和熔融静电纺丝。此外，讨论了电纺纳米纤维的各种形态，如核壳、多孔、中空、珠状、Janus和带状结构，以及加入功能材料以提高纳米纤维性能的策略。随后，文章详细介绍了以电纺纳米纤维为基础的复合材料(即纳米纤维/水凝胶、纳米纤维/气凝胶、纳米纤维/金属)。重点介绍了各种复合材料在监测物理、生理、体液和人体信号检测中的多重信号方面的最新进展。同时，综述还探讨了能够对各种刺激做出响应的多模态传感器的开发，重点关注解耦多种信号的创新策略及其最新进展，分析了当前面临的挑战以及基于电纺纳米纤维的复合材料传感器的未来前景。

图文导读

I 静电纺丝技术和电纺纳米纤维

1.1 静电纺丝技术

电纺丝是一种直接、可控、经济高效且可扩展的纳米技术，可利用天然和合成聚合物生产纳米纤维。经过近几十年的不断创新，目前已开发出远场电纺(传统电纺，FFES)、近场电纺(NFES)和熔融电纺(MES)三种电纺技术(图1)。在这些技术中，FFES是用于生产大量聚合物纳米纤维最广泛的技术，它通过静电力从聚合物溶液中提取连续纤维，形成液体射流。

NFES是近年来开发的一种用于连续生产超细纤维的可控技术。在NFES中，针和收集器之间的距离保持在一个稳定区域内，消除了液柱的鞭打区域，确保喷射保持笔直。这种技术可以生产出整齐划一、笔直的聚合物纤维，底部收集器沿着编程路径移动，以形成所需的图案。该技术具有独特的优势，如施加电压低、精度高、电极和收集器之间的距离短，因此可控制纤维沉积，并可对产品特征(如微观结构、厚度和宽度)进行编程操作。MES技术是在强电场作用下挤压熔化聚合物的过程。聚合物材料通常是热塑性塑料，通过调整熔体流速、熔体温度和加热周围空气，可以获得有规律的较细纤维图案。熔体直写(MEW)是MES的一种特殊形式，纳米纤维被引导至收集器，而不会产生鞭打效应。尽管有许多聚合物可用于FFES和NFES，但从生产角度来看，熔融电纺丝通常是生产聚合物纳米纤维的首选。

图1. 静电纺丝技术。(a)FFES；(b)NFES；(c)MES。

1.2 静电纺丝纳米纤维的微观结构

通过调整电纺丝参数可以获得不同微观结构的纳米纤维，而这些参数反过来又决定了传感器的机械和电气性能。核壳结构：具有核壳结构的纳米纤维由两层组成：内核和外鞘。与单层纳米纤维相比，这种设计不仅增强了纳米纤维的机械强度，还引入了更多的功能。多孔结构：在电纺纳米纤维中引入孔隙可以提供更高的比表面积、更多的活性位点、丰富的内部空间和异质界面，从而加速被检测物质的扩散、传输或转化。中空结构：可通过同轴电纺丝制造具有空心结构的纳米纤维。同轴电纺丝喷丝板以可溶性或挥发性物质为芯层，以聚合物溶液为外壳层。随后，去除核心成分，留下空心纳米纤维。通过调整芯层溶液的浓度，可以轻松控制纳米纤维的内径。珠状结构：珠状结构通常通过降低纺丝溶液的浓度来实现。当聚合物溶液浓度较低时，往往会形成球形珠子，并与非常细的纳米纤维连接起来。Janus结构：Janus结构一般是将两种不同功能的纺丝溶液分别注入两个注射器中，与核壳结构相比，Janus纳米纤维有两面与环境接触，有利于设计双功能传感器。带状结构：带状结构可通过调整电纺丝参数或添加功能材料来实现。一般来说，当纺丝溶液从聚合物纤维表面的聚合物溶剂中蒸发出来，留下一层包裹液芯的固态薄膜时，就会形成带状结构。

图2. 不同类型电纺纳米纤维的示意图和SEM图像。(a、b)芯壳结构；(c, d)多孔结构(e、f)中空结构；(g、h)珠状结构(i、j)Janus 结构；(k、l)带状结构。

1.3 在电纺纳米纤维中加入功能材料的策略

电纺NFM可作为纳米纤维基复合材料的功能组件，包括增韧组件、传感组件、结构调整组件等。研究人员可以通过各种方法将功能性纳米/微米材料融入聚合物中，从而开发出用于人体信号监测的功能性NFM。本节总结了将功能材料融入电纺纳米纤维的策略：混合、涂层、原位生长、原位聚合和碳化，如图3所示。

图3. 导电纳米纤维膜的制备方法。(a、b)混合法；(c-e)涂层方法；(f、g)原位生长法；(h)原位聚合法；(i)碳化方法。

II 电纺纳米纤维基复合材料

通过将二维无基质材料与各种块状材料整合，可将其进一步转化为三维结构。这些材料包括可提供柔软灵活基质的水凝胶、可提供轻质多孔框架的气凝胶，以及可增强复合材料结构稳定性和导电性的金属。

2.1 纳米纤维/水凝胶复合材料

作为最常用的电子皮肤传感器形式，水凝胶具有与人体组织相似的高含水量和可变机械性能等固有特性。将水凝胶与纳米纤维相结合，可以有效提高水凝胶的稳定性、可恢复性和耐久性，而所得纳米纤维/水凝胶复合材料的复合性能(优异的机械特性和拓扑结构)使其在传感应用中具有广阔前景(图4)。制备纳米纤维/水凝胶复合材料的方法包括四种：(1)在纳米纤维膜上旋涂/滴涂水凝胶材料；(2)采用告诉均质机将纳米纤维膜破碎后加入到水凝胶溶液中固化成型；(3)纳米纤维膜表面原位凝胶化形成复合材料；(4)通过双喷嘴静电纺丝技术，一步法制备纳米纤维/水凝胶复合材料。

图4. 纳米纤维/水凝胶复合材料。(a)通过旋涂和冻融法制备纳米纤维基水凝胶的过程；(b)复合水凝胶表面的扫描电镜图像；(c)复合水凝胶和商用凝胶收集的肌电图生物信号的性能比较；(d)通过滴铸法制备皮肤启发的NFIG传感器；(e)NFIG的表面显微照片；(f)传感器在不同压力下的电容响应；(g)通过直接填充和冷却法制备纳米纤维基导电水凝胶的过程；(h)不同类型导电水凝胶的电导率；(i)纳米纤维复合有机水凝胶的构建；(j)纳米纤维复合有机水凝胶的应力-应变；(h)不同类型导电水凝胶的电导率；(k)纳米纤维状有机水凝胶在不同温度下对80%循环应变的电阻响应；(l)TPAMH纳米纤维状水凝胶复合材料的制备；(m)通过手指运动获得相对电阻变化；(n)肘部弯曲的水下检测。

2.2 纳米纤维/气凝胶复合材料

纳米纤维的加入可以在气凝胶结构中形成增强网络，从而显著增强气凝胶的强度(图5)。目前3D纳米纤维/气凝胶的制备方法包括如下两种：(1)将破碎的纳米纤维短纤维通过冷冻干燥的方式制备成纳米纤维/气凝胶；(2)通过调控环境条件，直接静电纺丝得到纳米纤维/气凝胶材料。

图5. 纳米纤维/气凝胶复合材料。(a)CA纳米纤维复合气凝胶的制备过程；(b)不同压缩比下的复合气凝胶数码照片；(c)复合气凝胶超过13,000次的持续时间测试；(d)复合气凝胶的制备过程；(e)不同聚氨酯浓度的纳米纤维气凝胶的压缩曲线；(f)通过控制相对湿度制备PINA@PPy的过程示意图；(g)PINA在气相沉积PPy前后的光学图像；(h)PINA@PPy压力传感器的传感性能；(i)复合碳纳米纤维气凝胶的制备；(j)气凝胶的层间多孔结构；(k)气凝胶的湿敏性能。

2.3 纳米纤维/金属复合材料

将金属材料集成到纳米纤维/气凝胶中还能在纳米纤维/气凝胶结构中实现金属元件的精确图案化和嵌入，从而增强其与柔性电子器件的兼容性。这有助于开发复杂的多功能器件，并能承受具有挑战性的环境条件(图6)。

图6. 纳米纤维/金属复合材料。(a)手风琴灯笼的结构示意图；(b)复合材料的制作；(c)用PDMS将铜纤维固定在PU NFM上的照片和PDMS粘合点的SEM图像；(d)OSHI的光学照片和带有PDMS涂层的PU NFM的SEM图像；(e)装配好的心电图 (ECG) 检测系统；(f)系统记录的信号。

III 基于电纺纳米纤维的电子皮肤在物理、生理、体液和多信号监测方面的应用

本文介绍了各种复合材料在监测物理、生理、体液和人体信号检测中的多重信号方面的最新进展。同时，综述还探讨了能够对各种刺激做出响应的多模态传感器的开发，重点关注解耦多种信号的创新策略及其最新进展。

3.1 物理信号

基于电纺丝纳米纤维的复合传感器在检测各种物理刺激方面前景广阔，可对人体运动进行连续、无干扰的监测，并通过将物理信号转换为电子信号来模拟人体皮肤的传感机制(图7)。通过在人体上直接安装或无缝集成传感器，可以实现对不同程度的身体运动的检测。无线信号传输是可穿戴设备领域的一个关键发展轨迹，支撑着可穿戴设备不断进步的功能，并促进其与日常生活的无缝融合。此外，它们还可以远程控制机器人的水下抓取工具，这为水下固定、运输和矿物勘探等水下应用带来了巨大潜力。

图7. 电纺纳米纤维复合材料传感器用于物理信号传感。(a)人体反馈系统和E-skin的信号转换示意图；(b)佩戴在脸颊上检测面部动作；(c)佩戴在喉咙上检测吞咽动作；(d)佩戴在喉咙上检测和分辨发音动作；(e)佩戴在手指关节上检测关节弯曲；(f)佩戴在膝关节上检测关节弯曲；(g)佩戴在手指关节上分辨手指弯曲信号；(h)WADE-skin系统集成平台；(i)用于处理和传输信号的印刷电路板(PCB)的数字图像；(j)通过远程控制机器人进行非接触式核酸测试的数字图像；(k)水下控制仿人机器人抓取工具的数字图像。

在利用被动传感技术进行物理监测的同时，基于三电和压电原理的自供电替代技术也在迅速崛起。这些创新的能量收集系统利用人体运动、呼吸甚至血液流动产生的机械能来产生电信号，无需外部电源，从而解决了传统依赖电池设备的关键局限性(图8)。电纺丝技术能够制备高比表面积和细直径的纳米纤维，从而显著提高传感器捕捉物理信号变化的灵敏度。通过合理的结构设计，电纺纳米纤维复合传感器可根据特定要求检测多种物理信号，满足不同应用场景的需求。

图8. 自供电电纺纳米纤维复合材料传感器的物理信号传感。(a)TENG和自供电混合压力传感器的三维示意图；(b)SP-HPS不同组件的照片;(c)SP-HPS在动态压力条件下的灵敏度曲线;(d)SP-HPS在静态压力条件下的灵敏度曲线；(e)利用人工智能为电子门禁中的个性化安全而设计的智能用户身份验证系统的结构框架；(f)三个人在三种不同场景下使用通用访问代码“1432”的用户识别准确率(以百分比表示)的比较分析，以及计算得出的平均准确率。

3.2 生理信号

基于可控的机械特性，基于电纺纳米纤维的高性能独立或集成传感器可以准确捕捉和可视化与健康有关的实时生理信息，将人体电信号转化为可理解的图表，如ECG、EMG、EOG和EEG，从而提供对个人生理状态的宝贵见解(图9)。电纺纳米纤维复合电极或导体具有出色的柔韧性、应变敏感性和循环拉伸稳定性，在监测EOG、ECG和EMG等人体生理信号方面发挥着至关重要的作用。然而，电极与皮肤的高接触阻抗尤其影响低频信号的检测，因此需要开发低阻抗界面材料或优化表面形态。固有的微弱生理信号很容易受到环境噪声的影响，包括运动伪影和电磁干扰，因此需要集成屏蔽层或先进的信号处理算法来提高信噪比。性能下降等长期佩戴问题需要自修复材料或可更换电极模块等解决方案。此外，运动过程中电极与皮肤的相对位移也会带来额外的噪声，因此需要改进柔性/粘附性设计或运动补偿算法。应对这些挑战对于实现可靠、高精度的生理监测至关重要。

图9. 电纺纳米纤维复合材料传感器用于生理信号传感。(a)安装在手腕上的水凝胶-弹性体混合电极的光学照片和混合电极记录的心电信号；(b)使用AgNPs/rGO/PEDOT:PSS/TPU复合纳米纤维电极和Ag/AgCl电极获得的心电信号和信号放大图；(c)CB/rGO/PEDOT:PSS/PVDF纳米纤维复合电极示意图；(d-f)将电极固定在小腿上，通过行走产生肌电信号；(g)可穿戴眼动图硬件和；(h-j)将电纺电极装配在耳机上的单通道眼动图系统产生的“静止”、“眨眼”和“水平”眼动图模式。

3.3 体液信号

开发可用于分析体液(如汗液、唾液、尿液和血液)成分和比例的个性化可穿戴健康监测设备，对于提供个性化诊断和治疗至关重要。通过收集和分析体液代谢物信号(如乳酸、葡萄糖、pH值、离子、酶、三磷酸腺苷和皮质醇等)，可在疾病早期发现异常，从而进行早期干预和治疗，提高治愈率和存活率(图10)。虽然体液检测技术不断进步，但仍存在分析物交叉干扰、吸附饱和不稳定和灵敏度限制等挑战。纳米纤维解决方案采用Janus结构实现流体定向传输，SERS传感器利用等离子效应实现超灵敏多重检测，无需复杂制备即可实现高性能分析。

图10. 电纺纳米纤维复合材料传感器用于体液信号传感。(a)Janus电纺丝膜仿生传感皮肤的数字图像；(b-c)运动前后汗液中乳酸浓度的变化；(d-e)运动前后汗液中葡萄糖浓度的变化及相应的响应曲线；(f)运动前后汗液中pH值的变化；(g)使用Ag@HCNF基质的亚硝酸盐拉曼/SERS光谱；(h)亚硝酸盐峰强度与其浓度之间的关系曲线；(i)用于尿液ATP检测的Tb-BPA/PAN纳米纤维膜示意图；(j)545纳米波长处的线性淬灭响应；(k)T不同尿液成分的发光强度；(l)在7个周期内记录的Tb-BPA改性发光PAN纳米纤维复合发射的R、G、B和RGB总值；(m)PA/PANI-CNTs合传感器的Aβ42检测机制；(n)电流响应与Aβ42浓度的关系；(o)合传感器在100 ng mL⁻1干扰生物标记物存在时对1 ng mL⁻1 Aβ42的选择性评估。

3.4 多信号

人体是一个高度复杂的多功能综合系统，能够同时处理各种信号，在不同情况下做出适当的反应。然而，传统的单一模式传感器无法为电子皮肤系统提供全面的信息，限制了其功能和实际应用。为了解决这一局限性并获得精确的感觉，人们一直致力于开发能够同时检测多种刺激的传感器(图11)。近年来，人们越来越重视设计和制造集成多种传感模式的多功能柔性电子皮肤传感器。实现多信号检测的策略主要涉及设计独特的器件架构和集成多个单功能传感器。通过设计和采用独特的设备架构，可以有效地解耦多种刺激信号。目前，大多数软性多功能传感器仅限于分辨两个输入信号，而利用单个传感单元实现对三个或更多刺激的精确分辨仍然非常复杂。此外，多个信号之间的耦合效应会导致相互干扰，从而影响检测精度和可靠性。为解决这些问题，开发新型传感机制和信号补偿策略，并结合先进的封装技术和机器学习算法，被认为是一个极具前景的研究方向。这些方法有望显著增强传感器的多信号解耦能力，使其能够应用于复杂环境。此外，还需要新的能源解决方案来为完全集成的多功能传感器系统提供动力，而压电和三电传感器则提供了一条潜在的前进道路。

图11. 基于电纺纳米纤维的复合材料传感器的多信号传感。(a)感知器结构示意图；(b)使用PCA算法对不同手势识别结果进行分类；(c)不同材料识别结果的分类；(d)电子手套的剖视图；(e)电子手套系统的光学照片，带有定制的印刷电路板和连接器；(f)带有信号处理模块的无线接口；(g)热刺激下的实时抓球响应；(h)带有温度反馈的瓶子挤压检测；(i)带有智能手机读数的同步心电图/温度监测。

IV 结论与展望

最后，分析了当前面临的挑战，并概述了基于电纺纳米纤维的复合材料传感器的未来前景。在过去十年中，基于纳米纤维的柔性传感器材料取得了显著进展，但仍面临若干挑战，包括如下六个方面(图12)：

复合材料的多样性：基于纳米纤维的复合材料传感器通过对各种组件优势的协同组合，表现出更高的性能。未来的研究方向主要集中在三个方面：(1)通过电纺微结构设计和表面改性实现创新的结构工程，(2)开发先进的复合材料结构(如纳米纤维/泡沫和纳米纤维/水凝胶泡沫系统)，(3)优化界面相互作用以实现机械增强、信号放大和多功能集成。

多功能集成：具有刺激响应特性、自愈能力、机械韧性和增强生物相容性等新功能的柔性电子器件正成为一种发展趋势，可广泛拓展柔性传感器的应用领域。然而，多种信号之间的干扰会影响信号的可靠性。因此，迫切需要设计出具有多通道传感功能的复合材料，从而构建具有高密度和时空分辨率的柔性多模态传感阵列，同时确保各种通道之间的有效隔离、协调和精确识别。多通道信号的有效隔离和协调可通过开发具有分层或梯度结构的复合材料来实现。

机械稳定性：柔性传感器的最终目标是实现与人体组织相似的机械特性，包括应变恢复、机械稳定性和自愈性。复合材料必须在反复机械变形的情况下保持有效的信号输出，但长时间的拉伸会导致组件之间的界面不匹配或开裂。这种不匹配不仅会限制设备与人体的贴合度和舒适度，还可能因机械应力集中而对周围组织造成挤压、摩擦甚至切割损伤。此外，E-skin的性能在长期使用后可能会受到环境的影响，因此保持柔性装置的可持续性和稳定性也是一项重要挑战。虽然自愈合传感器已被广泛探索，但愈合后的传感特性将不可避免地下降，为应对这些挑战，未来的研究应侧重于开发创新策略，以提高柔性传感器的性能和可靠性。

生物兼容性：在人体信号传感领域应用复合材料时，生物相容性是一个重要的考虑因素。由于这些结构需要与人体组织直接或间接接触，甚至可能被植入体内，因此它们必须能够与生物环境和谐共存，而不会引起任何有害的生物反应。此外，在复杂的人体环境中还可能面临性能稳定性问题。例如，人体皮肤在大量出汗后阻抗会降低，这可能会影响复合材料捕捉信号的可靠性。为了应对这些挑战，未来的研究应侧重于提高复合材料与生物组织的兼容性，开发基于生物相容性基材(如生物可降解聚合物或水凝胶)的材料，并加入仿生物涂层或表面功能化，以改善其与生物环境的相互作用。

循环利用和可持续发展：柔性复合材料传感器可以通过减少制造过程中的材料和能源消耗，实现轻量化和微型化。同时，使用废料或可降解材料不仅能促进材料的重复利用，还能大大减少环境污染，这对柔性传感领域的可持续发展至关重要。先进的制造技术，如三维打印和光刻技术，应成为未来研究的重点，以实现对材料使用的精确控制，促进轻量化、微型化传感器设计的开发。此外，探索从可再生资源中提取的环保型复合材料，并将其与低功耗传感技术和能量收集机制相结合，可进一步降低能耗，提高柔性传感器的可持续性。

融合与创新：机器学习与传感技术的结合正在引领一场技术革命，这种融合在多个领域显示出巨大的潜力和价值。通过整合多种类型的传感器和先进的机器学习模型，可以构建具有多维传感和智能决策能力的系统。然而，机器学习在传感领域的实际应用仍然面临着挑战，例如由于传感器数据的噪声和环境变化而导致模型性能下降。通过多传感器融合和自适应技术提高数据质量，同时使训练数据多样化，对于提高鲁棒性至关重要。此外，通过加密和隐私保护算法确保数据安全对于可持续集成仍然至关重要。

图12. 纳米纤维基复合材料传感器面临的主要挑战概述。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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