综述：将导电纳米材料通过喷墨打印技术应用于纺织品，以制造可穿戴电子设备：进展、挑战及未来前景

《Materials Today Advances》：Inkjet printing of conductive nanomaterials on textiles for wearable electronics: Advancements, challenges, and future prospects

智能纺织品喷墨打印导电纳米材料综述：系统分析材料（银纳米颗粒、碳纳米管、MXene等）与工艺优化（DOD/CIJ架构、表面预处理、多层印刷），揭示导电图案在传感器、储能器件及人机接口中的性能提升策略，指出材料稳定性、附着力及耐久性挑战，提出可持续材料与AI驱动设计解决方案

　　随着可穿戴电子设备需求的不断增长，智能纺织品作为将电子功能无缝集成到织物中的新兴技术，已经吸引了广泛的研究兴趣。这些智能纺织品不仅能够感知和响应环境刺激，还为健康监测、医疗护理和人机接口等应用提供了新的可能性。近年来，该领域从仅仅将传感器附着于织物发展为将衣物转化为具有传感和交互功能的平台。由于织物具备透气性、柔韧性和可塑性，它们为长时间佩戴提供了舒适性。然而，尽管有这些优势，仍然存在一些技术挑战需要解决。织物的多孔性和表面粗糙度给高性能电极的制造带来了困难，而实现对洗涤和机械应力的耐受性仍然是关键的难点。此外，欧洲议会的科学技术选择评估（STOA）小组已经将可穿戴电子视为可能改变现代社会的关键新兴技术之一。

为了推动这一领域的发展，研究人员正在探索新的材料配方、印刷方法和功能应用。特别是在纳米材料方面，金属纳米颗粒、碳基材料和导电聚合物等材料被广泛研究，以优化印刷参数，实现高分辨率、耐用且导电的图案。这些研究不仅关注材料本身的特性，还强调其与印刷工艺的兼容性。例如，银纳米颗粒因其优异的导电性（约10^6 S/m）和化学稳定性而成为首选，但其较高的成本限制了其应用范围。相比之下，铜纳米颗粒虽然成本较低，但容易发生氧化反应，而金纳米颗粒则因其良好的生物相容性被用于生物传感应用。为了克服这些材料的局限性，研究人员开发了多种复合材料，如银纳米线/聚乙二醇（PEO）复合材料，这些材料在印刷过程中可以形成连续的导电路径，从而提高导电性并保持高透明度。

在印刷技术方面，喷墨印刷因其单步、自动化和材料效率高而成为一种有前景的方法。它能够将功能性墨水精确地沉积在各种基材上，包括织物。喷墨印刷技术的持续发展使得研究人员能够制造出高分辨率的复杂电子电路。然而，由于织物的特殊性质，如多孔性和表面粗糙度，使得印刷过程面临一系列挑战。例如，液态墨水容易在织物上扩散，导致图案模糊和分辨率下降。因此，研究者们开发了多种表面预处理方法，如等离子体处理、表面改性以及使用高分子材料进行涂层处理，以改善墨水与织物的相容性。此外，研究人员还在探索多种印刷策略，如多层印刷、混合印刷和三维（3D）印刷，以克服这些挑战。

为了提高印刷后的性能，研究人员开发了多种后处理技术，如低温烧结和封装技术。这些技术不仅能够增强导电性，还能提高设备的耐久性和环境稳定性。例如，通过化学烧结和微波烧结等方法，可以在较低的温度下实现纳米颗粒的烧结，从而避免对织物造成热损伤。同时，使用聚合物封装材料，如聚氨酯（PU）和聚二甲基硅氧烷（PDMS），可以提高印刷电子设备的机械和洗涤耐久性，确保导电路径在反复洗涤后仍然保持功能。此外，一些研究还探索了自修复复合材料的应用，这些材料能够在受损后自动修复，从而提高设备的使用寿命和可靠性。

在应用方面，喷墨印刷的智能纺织品已经展示了其在生理监测、柔性能量系统和先进的人机接口方面的潜力。例如，基于银纳米线的柔性超级电容器（MSCs）在纺织品上表现出优异的面积电容（例如，达到294 mF cm^{-2}），超越了许多之前印刷的设备。此外，银基金属有机分解（MOD）墨水能够在室温下实现优异的导电性，特别是在热敏感基材上。通过结合不同的纳米材料，如碳纳米管（CNTs）和弹性体，研究人员成功制造了可拉伸且防水的纤维形应变传感器，这些传感器在机械性能和灵敏度方面表现出色。

在生物集成设备和人工智能驱动的制造技术方面，研究也取得了显著进展。例如，利用机器学习算法优化印刷过程，可以实现更精确的图案形成和更高的生产效率。此外，结合多种印刷技术，如喷墨印刷与静电纺丝技术，能够制造出复杂的3D电子架构，这在可穿戴设备的制造中具有重要意义。这些混合印刷方法不仅提高了印刷质量，还增强了电子设备的功能性和可靠性。

尽管喷墨印刷技术在可穿戴电子领域取得了诸多进展，但仍面临一些挑战。这些挑战包括纳米材料的稳定性、界面粘附性、洗涤耐久性和大规模制造的限制。为了应对这些挑战，研究人员正在探索多种创新解决方案，如自修复复合材料、混合印刷技术和环境友好的导电墨水。这些技术不仅提高了设备的性能，还减少了对环境的影响。

未来的研究方向包括开发多功能纳米复合材料，以实现自供电系统和刺激响应材料。例如，基于压电和热电材料的自供电系统可以利用人体运动和体温变化来生成电力，从而实现无需外部电源的可穿戴设备。此外，研究还集中在如何提高纳米材料的稳定性和导电性，以满足实际应用的需求。这些研究不仅有助于解决当前的技术瓶颈，还为可穿戴电子的商业化提供了新的思路。

总的来说，喷墨印刷技术在可穿戴电子领域展现出巨大的潜力。通过不断优化材料配方、印刷参数和后处理技术，研究人员正在推动这一领域的发展，使其能够满足日益增长的市场需求。然而，要实现从实验室原型到商业化产品的转变，还需要在标准化测试协议、可持续材料生命周期和跨学科合作等方面进行努力。这些努力将有助于构建一个更加完善的生态系统，促进可穿戴电子技术的广泛应用。