《Nano Energy》：Interlocking structure based on AgNWs/Ti
3C
2T
x hybrid for self-powered bioelectronic
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可穿戴自供电电子纺织品通过二维MXene与一维银纳米线多材料互锁结构提升稳定性和能量收集性能，实现长期机械应变下的高导电性，并成功应用于生理信号监测和交互传感。
李家辉|宋卫东|周宇|王子瑞|姜飞阳|戴宝英|史秋伟|谢彦楠
南京邮电大学柔性电子国家重点实验室（LoFE）与先进材料研究所（IAM），中国南京市文苑路9号，210023
摘要
具有长期稳定性的可穿戴自供电生物电子设备因其便携性和实时生理信号监测能力而受到了广泛关注。然而，在提高电输出和确保长期运行稳定性方面仍存在重大挑战。此外，改善人机交互和可扩展性对于实际应用至关重要。为了解决这些问题，我们提出了一种采用多材料耦合和二维（2D）MXene与一维（1D）银纳米线（AgNWs）互锁的导电层结构。这种架构有效防止了导电材料的氧化，从而实现了高性能和稳定的电输出。此外，这种互锁结构改性的导电织物已成功大规模制造，确保了与现代纺织制造技术的兼容性。我们进一步展示了这种柔性电子织物在能量转换、触觉传感、生理信号监测和交互式传感中的应用。这些发现为未来用户交互式电子纺织品的开发提供了可行的策略。
引言
可穿戴生物电子设备因其轻量化设计、实时监测能力和与日常服装的集成性，成为下一代医疗保健和人机交互系统的关键推动者[1]、[2]、[3]、[4]。其中，自供电的压力和应变传感器特别具有吸引力，因为它们可以在无需外部电源的情况下将人体运动的机械变形转换为电信号[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。然而，在动态的现实世界条件下实现高电输出和长期运行稳定性仍面临重大挑战[10]、[11]、[12]。在实际的可穿戴场景中，如行走、拉伸和出汗时，设备经常受到动态和不规则的机械应变，这可能导致分层、微裂纹形成和导电路径的退化[7]、[13]、[14]。这不仅降低了传感精度，还严重限制了设备的使用寿命。此外，当前设计中使用的许多导电材料（如金属纳米线或二维（2D）纳米材料）在暴露于空气或湿气时容易氧化或结构损坏，进一步削弱了它们的长期电性能[15]、[16]、[17]、[18]。因此，确保优异的机械和电稳定性是长期运行的可穿戴设备的关键要求[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。
这种自供电能力使得无需电池的智能传感器的开发成为可能。例如，曹等人[25]设计了一种柔性液体传感器，通过将MXene溶液封装在硅橡胶中，使TENG在弯曲和扭转时仍能保持电输出[26]、[27]、[28]、[29]。然而，这种封装方法通常会增加体积，限制伸展性，并降低对微弱刺激的响应性，从而阻碍了其在实际可穿戴应用中的使用。为了解决这些问题，基于纺织的电子系统提供了一个有前景的解决方案，因为织物本身具有透气性、柔韧性和与大面积加工的兼容性[30]、[31]。先前的研究表明，将MXene或PEDOT:PSS等导电材料集成到织物中可以提高其传感性能[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。例如，何等人制备了一种基于纺织的生物传感器，通过沉积蚕丝衍生的氮掺杂碳织物和铂纳米球用于酶检测[38]，而余等人报道了一种具有宽压力检测范围的MXene涂层纺织传感器[39]。然而，这些策略通常主要关注优化电性能，而忽视了舒适性、长期使用下的机械强度等关键方面。因此，开发同时提供舒适性、环境适应性、机械/电稳定性和自供电功能的生物电子织物仍然是一个重大挑战[40]、[41]、[42]、[43]。
在这项研究中，我们采用逐层组装策略，制备了一种基于纺织的可拉伸、透气且自供电的人机交互传感器。通过依次在商用织物上喷涂1D AgNWs和2D Ti?C?T? MXene，然后进行反复拉伸和干燥，构建了一种多材料耦合的互锁结构，增强了机械互锁性和材料兼容性。该结构不仅有效防止了导电组分的氧化，还实现了与现代纺织生产兼容的大面积制造。所得到的纺织传感器在能量收集、触觉传感、生理信号监测和交互式反馈方面表现出色。值得注意的是，它可以通过从行走或跑步等动作中收集能量来为可穿戴电子设备供电，并在120%的拉伸率和4000次加载循环后仍能保持稳定的性能。这些发现突显了这种高性能纺织平台在下一代可穿戴电子设备和交互式系统中的潜力。
章节摘录
Ti?C?T? MXene纳米片的合成
在本研究中，采用选择性蚀刻方法制备了Ti?C?T? MXene纳米片。具体步骤如下：首先向5毫升去离子水中加入1.6克LiF（Sigma，99.98%）和15毫升HCl（Sigma，37%），然后缓慢搅拌；接着在搅拌的同时缓慢加入批量Ti?AlC? MAX粉末（购自11 Technology Co., Ltd），并将油浴加热至37°C。24小时后，使用去离子水以3500转/分钟的速度多次离心所得MXene酸性溶液。
结果与讨论
为了解决可穿戴自供电电子设备中电输出不足和长期运行稳定性问题，我们构建了一种具有互锁导电架构的柔性电子纺织品（e-textile），如图1a所示。商用纺织品作为基底，银纳米线（AgNWs）墨水被喷涂在纺织品的层间和表面作为导电层。AgNWs的一维（1D）结构分布均匀。
结论
在这项研究中，我们解决了当前柔性自供电可穿戴生物电子系统中存在的供电有限、长期稳定性不足和灵敏度低等关键问题。我们提出了一种新的互锁混合结构，将2D MXene与1D导电AgNWs耦合。所得到的复合电子纺织品表现出优异的抗氧化性、高电导率和出色的机械和环境稳定性。
CRediT作者贡献声明
李家辉：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。宋卫东：撰写 – 原稿、方法论、研究、数据管理。周宇：撰写 – 原稿、方法论、研究、数据管理。王子瑞：撰写 – 原稿、可视化、数据管理。姜飞阳：撰写 – 原稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号62304114、52003122）、江苏省自然科学基金（BK20220403）、中国博士后科学基金会奖学金（2022M721688）和江苏省重点研发计划（BE2018732）的财政支持。
李家辉博士于2019年在东华大学获得材料科学博士学位。2017年至2019年，她作为访问学者在耶鲁大学化学与环境工程系学习。2019年至2020年，她在南阳理工学院担任博士后研究员。目前，她是南京邮电大学材料科学与工程学院的副教授。她的研究方向是低维材料。
