碳纳米管/纤维素纳米晶复合导电墨水在可穿戴呼吸传感纺织品中的几何结构优化研究

为解决传统呼吸监测设备便携性差、成本高的问题，研究人员开发了基于碳纳米管(CNT)/纤维素纳米晶(CNC)的水性导电墨水，通过优化墨水配比(CNT/CNC-1:1)及传感器几何结构（线型、应变片型、星型），实现了5%-10%应变范围内的高灵敏度响应（最高71.91 GF），为可持续、无金属/聚合物的可穿戴呼吸监测系统提供了可规模化印刷的解决方案。

　　

呼吸系统疾病已成为工业化地区的主要健康威胁，传统监测设备因体积庞大、操作复杂难以满足日常需求。现有柔性传感器多依赖聚氨酯(PU)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等聚合物基材，存在易水解、紫外降解及高成本等问题。针对这一挑战，国外研究团队在《Applied Materials Today》发表研究，提出了一种基于碳纳米管(CNT)和植物源纤维素纳米晶(CNC)的水性导电墨水体系，通过调控CNT/CNC比例（1:3至3:1）开发出无金属/聚合物的可穿戴呼吸传感器。

研究采用流变学分析优化墨水稳定性，通过扫描电镜评估表面覆盖度，并系统测试了线型、应变片型和星型三种几何结构在模拟胸廓运动（5%-10%应变）下的压阻性能。关键发现包括：CNT/CNC-1:1墨水具有最佳印刷适性；星型传感器在10%应变下灵敏度达40.47，而线型结构在同等条件下表现出最高响应值（71.91 GF）。人形模型测试证实其可稳定捕捉呼吸波形，实现远程数据传输。

材料与方法
研究通过流变仪分析不同CNT/CNC配比墨水的剪切稀化行为，采用丝网印刷将导电图案转印至纺织品，利用动态机械分析仪模拟呼吸循环加载（0.5 Hz频率），结合数字显微镜量化裂纹扩展行为。人体测试使用仿生胸廓模型模拟实际呼吸应变。

Rheological properties of CNT/CNC inks
流变测试显示CNT/CNC-1:1墨水具有最优剪切稀化指数（n=0.35），能平衡颗粒分散与印刷适性，在90T丝网下实现93%的图案保真度。

结论与意义
该研究首创将CNC作为天然分散剂与CNT复合，突破了传统石油基表面活性剂的限制。所开发的传感器在10%应变范围内灵敏度超越多数报道的PDMS基器件（如Chen等研究的GF=762需5%预拉伸），且具备生物降解潜力。几何结构优化表明：线型图案因定向裂纹扩展机制灵敏度最高，而星型结构各向同性响应更适合多向应变检测。这种低成本（材料成本降低20倍）、可规模化生产的方案，为呼吸系统疾病管理提供了居家监测新范式，尤其适用于COVID-19后遗症患者的长期随访。

研究同时揭示了纤维素基材料在柔性电子中的新应用场景——CNC不仅作为绿色粘合剂，其表面硫酸根更通过静电作用稳定CNT分散液。未来可通过图案拓扑优化（如分形设计）进一步提升低应变下的信噪比，推动材料主导的医疗传感技术发展。