高弹性透气液态金属-铁纤维复合导体在电生理监测中的突破性应用

针对液态金属(LM)在可拉伸导体中润湿性差、回收困难及透气性不足等问题，研究人员开发了一种基于LM-铁粉(LMiron )涂层的聚氨酯-十二烷基硫酸钠(PU-SDS)纤维垫导体。该材料展现出1130%超高拉伸性、792.71 g m?2 day?1 透气性和12105 S cm?1 导电率，通过5000次100%应变循环保持稳定性能，并实现长期高保真心电(ECG)监测，为可穿戴医疗设备提供了可持续解决方案。

　　

随着柔性电子技术的快速发展，液态金属(Liquid Metal, LM)因其优异的导电性(～3×10⁴
S cm^?1
)和生物相容性，在生物电子、可穿戴设备和软机器人领域展现出巨大潜力。然而，LM的高表面张力导致与弹性体界面结合弱，传统LM导体普遍存在透气性差、制造工艺复杂等问题，严重制约其在表皮电子设备中的应用。特别是在长期电生理监测场景中，现有材料难以兼顾导电性、机械柔韧性与穿戴舒适性，这成为制约健康监测技术发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，广东以色列理工学院的研究团队创新性地开发了一种高弹性透气液态金属-铁纤维复合导体(LM_iron
/PU-SDS)。该研究通过将LM与铁粉混合涂覆在电纺聚氨酯-十二烷基硫酸钠(PU-SDS)纤维垫上，经预拉伸激活后形成多孔网状结构，成功解决了传统LM导体的三大核心问题：通过铁粉掺杂降低LM表面张力（接触角从135°显著降低），利用纤维垫三维结构实现透气性突破，并借助磁性分离实现材料全回收。相关成果发表在《Wearable Electronics》上，为下一代可穿戴医疗设备提供了革新性材料解决方案。

研究团队主要采用四项关键技术：1）静电纺丝制备PU-SDS纤维基底；2）LM与铁粉机械研磨混合形成功能涂层；3）预拉伸激活技术构建多孔导电网络；4）基于磁分离的LM/铁粉回收系统。在人体实验中，使用健康志愿者队列验证了材料的生物相容性和信号采集稳定性。

【结果与发现】

1. 材料设计与性能突破
   通过优化LM与铁粉质量比(1:0.4)，复合材料展现出超常力学性能：拉伸强度达1038%（较纯PU-SDS提升2.8倍），杨氏模量0.11 MPa与人体皮肤匹配。电学性能方面，20 mg cm^?2
   载量的样品在700%应变下电阻仅增加1.64倍，导电率达12105 S cm^?1
   ，5000次100%应变循环后电阻变化<1.5%。

2. 透气性与生物相容性
   预拉伸形成的多孔结构使水蒸气透过率(WVTR)达792.71 g m^?2
   day^?1
   ，显著优于商用凝胶电极(390.59 g m^?2
   day^?1
   )。24小时皮肤贴附实验显示，LM_iron
   /PU-SDS与医用胶带同样未引起皮肤红斑，而PDMS等非透气材料则导致明显刺激。

3. 电生理监测性能
   在10 Hz低频段，电极-皮肤界面阻抗仅87.47 kΩ（商用凝胶电极的22.8%）。实际测试中采集的心电(ECG)信号信噪比(SNR)达30.22±0.71 dB，肌电(EMG)信号SNR为24.12 dB，均优于对照电极。连续60分钟动态监测成功捕获不同活动状态（工作、行走、休息）下的心率变异(HRV)特征，LF/HF频段功率谱分析证实信号质量满足临床诊断需求。

4. 可持续性创新
   通过溶解PU基质结合磁选分离，实现了LM和铁粉的完全回收，回收材料可重新用于制备新电极，突破了传统电子废弃物的处理瓶颈。

这项研究通过巧妙的材料设计，首次将高导电性、超拉伸性、优异透气性和全回收特性集成于单一导体系统。其创新价值不仅体现在性能参数的突破，更开创了可穿戴电子设备的可持续发展范式。在实际应用层面，该技术为心血管疾病早期诊断、运动康复监测等场景提供了理想解决方案，特别是其长达24小时无刺激的穿戴特性，解决了现有设备在长期监测中的舒适性问题。从更广阔的视角看，这项研究为生物电子学与环境保护的协同发展提供了重要启示，标志着柔性电子技术向"绿色化"方向迈出了关键一步。