可生物降解MXene-竹纤维素纸电极：绿色可穿戴传感与外骨骼控制的创新突破

本综述系统介绍了基于MXene（Ti3C2Tx）与竹源纤维素纳米纤维（CNF）通过真空辅助组装技术构建的多功能可生物降解纸电极（MXNx/B-CP）。该电极展现出可调导电性（最高550 S·m?1）、机械柔性（杨氏模量0.064–1.768 MPa）和非线性压阻响应（应变系数3.7–11.42），并通过多孔Ecoflex封装实现防水透气特性。研究成功将其应用于表面肌电（sEMG）信号采集、人体运动监测及外骨骼实时控制，为可持续高性能可穿戴电子提供了创新解决方案。

　　

1 引言

全球电子废弃物的快速增长亟需通过可持续材料选择和制造方法最小化环境影响的绿色电子技术。表面肌电（sEMG）作为监测肌肉活动的关键无创工具，在临床诊断中广泛应用。然而，传统Ag/AgCl电极依赖脱水水凝胶和不可降解塑料膜，不仅存在长期穿戴兼容性问题，还加剧了电子废物积累。纤维素作为可再生天然生物聚合物，具有优异的机械强度和生物降解性，其纳米纤维（CNFs）可从竹子等速生植物中有效分离。近年来，将功能性纳米材料（如碳纳米管、银纳米线、石墨烯）嵌入CNF支架中，已成为兼顾环境相容性与电子功能的有效策略。其中，二维MXenes（如Ti₃C₂T_x）因其出色导电性、亲水性和生物相容性受到广泛关注，已被用于压力传感器、摩擦纳米发电机和电磁屏蔽等领域。尽管已有研究尝试将MXene与可降解基质（如CNF泡沫、气凝胶）结合开发柔性传感器，但尚未实现兼具低皮肤电极阻抗、汗液环境下稳定性、水下功能可靠性及外骨骼实时控制能力的独立可降解电极。

2 结果与讨论

2.1 合成与结构表征

研究通过真空过滤法将剥离的MXene纳米片与竹源CNF悬浮液均匀混合，制备出MXN_x/B-CP自支撑纸电极。随着MXene含量增加（0–8 mg），电极颜色从灰白色渐变为漆黑色，电导率从绝缘状态提升至550 S·m^?1。扫描电镜显示MXene纳米片与CNF纤维形成紧密结合的2D/1D混合结构，元素映射证实氧、钛、碳的均匀分布。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了MXene与CNF界面间丰富的氢键作用，Ti 2p谱显示456.0 eV（Ti-C）、457.2 eV（Ti-X）和458.4 eV（Ti_xO_y）特征峰，O 1s谱中530.4 eV（TiO₂）和531.5 eV（C-Ti-O）峰证实了强界面相互作用。X射线衍射（XRD）中6°处MXene（002）晶面衍射峰主导复合物谱图。

2.2 电学与机械性能

MXN₅/B-CP表现出非线性压阻特性：在低应变区应变系数（GF）为3.73，高应变区升至11.42。拉伸测试显示其杨氏模量从低应力区的0.064 MPa增至高应力区的1.768 MPa，呈现显著的应变诱导硬化行为。这种双模响应机制源于拉伸过程中MXene导电网络的微裂纹形成与扩展——变形时裂纹拓宽阻碍电子传输，松弛时导电岛重新连接实现信号恢复。与现有可降解材料相比，该传感器的应变活性范围扩增4–5倍，灵敏度提高2–3倍。

2.3 防水性、阻燃性与环境相容性评估

多孔Ecoflex涂层使电极对水、牛奶、绿茶等液体呈现高接触角（101°–85°），同时保持173.90 g·m^?2·day^?1的水蒸气透过率。电极表现出焦耳加热效应（4V时升温至79.6°C）和优异阻燃性（直接火焰暴露30秒不燃烧）。细胞毒性试验显示98.9%细胞存活率，1 wt% H₂O₂溶液中240分钟内完全降解，证实其生物相容性与可降解性。

2.4 传感性能与可穿戴应用

传感器可实时监测肘、腕、膝关节弯曲运动，并在水下环境中保持稳定响应（500次连续弯曲测试信号一致）。压力传感显示压缩压力0–10 kPa时电阻增加60%。通过莫尔斯电码编码（SOS、NTU等）实现了无声通信功能。kirigami激光切割图案使电极拉伸率提升30倍，适用于高机动性可穿戴场景。

2.5 肌电控制与人机交互能力评估

与商用Ag/AgCl电极相比，MXN₅/B-CP在吞咽sEMG检测中信噪比（SNR）提高4倍，1 kHz频率下阻抗显著降低。在膝关节外骨骼（KneeBO）控制实验中，基于股直肌（RF）的sEMG信号触发外骨骼辅助行走，系统延迟100±8 ms，满足实时控制需求。运动学分析显示外骨骼激活时RF肌肉活动显著降低（p < 0.05），而膝关节角度保持稳定周期模式，证实了生物力学相容性。

3 结论

本研究开发的MXene-竹纤维素纸电极成功整合了可降解性、导电性、机械适应性和系统级人机界面功能，为绿色可穿戴电子提供了高性能解决方案。未来将探索电容传感等替代机制以进一步拓展其多功能性。