纤维素纳米纤维赋能MXene电子纺织用于可穿戴治疗应用：分级结构、界面化学与多功能诊疗平台

《RSC Advances》：Cellulose nanofiber-enabled MXene textronics for wearable therapeutic applicationsOpen Access

　　

电子织物（electronic textiles, e-textiles）通过将电子功能集成于柔软、透气及可规模化的纺织基底之中，正推动着可穿戴医疗保健的发展。纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers, CNFs）与二维MXene的复合材料因其互补特性而备受关注：CNFs赋予体系柔韧性、机械强度、生物降解性及丰富的表面化学功能，而MXene则提供高电导率与可调控的多功能性。强界面相互作用使得开发兼具耐久性、柔韧性及环境兼容性的织物电子结构（textronic architectures）成为可能。本综述系统考察了CNFs在MXene基织物电子学（textronics）中从纤维到织物的分级结构内所发挥的结构性作用，并重点讨论了涂层（coating）、纺丝（spinning）、静电纺丝（electrospinning）及混合组装（hybrid assembly）等关键制造策略，尤其强调舒适性与性能之间的平衡。CNF–MXene纺织品可实现多种功能，包括可穿戴能量存储（超级电容器）、生理与应变/压力传感、电刺激、热疗及受控药物输送，从而构建起兼具供电支撑与治疗干预能力的多功能平台。本文最后评估了耐久性、可洗性、防潮性及稳定性等关键挑战，并指出未来发展方向集中于提升MXene稳定性、实现规模化生产以及制定可持续的报废策略。

1. 引言

研究人员指出，纤维素纳米纤维（CNFs）因其独特的机械强度、柔韧性、生物降解性及优异表面性质组合，成为开发电子织物（e-textiles）的理想材料。可穿戴电子器件在人工智能、人体运动检测、机器人、储能系统及健康监测等领域的快速发展，对兼具轻质、柔韧及良好皮肤贴合性的智能可穿戴设备提出了迫切需求。纺织基底（纤维、纱线或织物）天然具备这些优势，同时还拥有出色的耐洗牢度及空气渗透性与汗液吸收等生理舒适性，但纺织品本身为绝缘材料，需通过表面改性引入导电功能以构建电子纺织（textronics）。既往综述多聚焦于导电纳米材料、制造策略或CNF作为多种基底之一，而本综述则填补了将CNF作为结构粘结剂、增强支架及功能表面化学伙伴，在MXene基可穿戴治疗织物电子中实现协同整合的空白，并将材料设计、分级织物结构、制造技术及治疗应用纳入统一框架。

2.1 结构特征

CNFs通常呈现3–100 nm的直径和数百纳米至数微米的长度，具有极高的长径比与比表面积，为功能化及界面相互作用提供了丰富位点；其纤维素I晶型结构赋予材料高机械强度与化学稳定性。电子纺织的治疗功能根植于纤维、纱线与织物三个相互关联的分级结构层级：纤维经编织或同轴配置组装为纱线，再通过织造、针织或非织造工艺形成织物。编织织物尺寸稳定性高，可精确排布功能性纱线；针织物延展性可达300%，能够顺应身体动态轮廓；非织造布孔隙率高，有利于伤口敷料中的湿气透过与药物扩散。功能化策略包括表面涂层、纤维纺丝、静电纺丝及热拉技术；其中浸涂法因简便、可扩展而备受关注，如Ti₃C₂T_x MXene浸涂层可实现超过440 S cm^?1的表面电导率，并在45次洗涤循环后保持稳定。静电纺丝可制备200–500 nm直径的高比表面积纳米纤维垫，适用于高载药量与持续释放，但力学鲁棒性通常低于常规纺丝纤维；热拉技术则能在单根纤维内集成光波导、聚合物电极与微流道，实现光遗传刺激、电生理记录与靶向给药的同步进行。

2.2 CNFs的表面化学

CNF表面的羟基（–OH）可通过氢键与MXene纳米片及多种导电材料形成强界面结合。MXene表面端基（如–O、–OH、–F及/或–Cl）与极性基底之间亦以氢键为主。Sun等利用CNF作为可再生粘结剂制备MXene/CNF复合膜，克服了纯MXene膜因片层间弱范德华力而在水环境中机械不稳定的缺陷；X射线光电子能谱（XPS）证实C–Ti与C–O结合能偏移，验证了CNF羟基/羧基与MXene表面官能团之间的氢键作用。该复合膜在0.5 M/0.01 M NaCl模拟海-河水梯度下，最大功率密度达0.43 W m^?2，且在0.5/0.01 M KCl梯度下输出电流4小时内无衰减，功率密度在15天内保持恒定，展现出作为渗透能收集器的长期耐久性。

2.3 机械性能

CNFs的拉伸强度为200–300 MPa，杨氏模量为20–150 GPa，兼具生物相容性、可持续性、可涂层调控电学特性及媲美或超越合成聚合物的力学性能。Uzun等开发的MXene涂层纤维素纱线表面电导率达440 S cm^?1以上，且经过45次洗涤后仍保持性能稳定，凸显了MXene与纤维素基底间界面结合的牢固性。Cheng等制备的同轴静电纺丝纤维以聚己内酯（polycaprolactone, PCL）壳层包封负载环丙沙星的羟丙基纤维素（hydroxypropyl cellulose, HPC）芯层，在约4 V低电压下快速升温，当温度超过45 °C时HPC脱水收缩，迫使药物经PCL壳层微通道释放，并在500次连续弯曲循环及模拟汗液/体液中保持力学完整。此外，CNF–环氧基体杂化膜经热压后致密度显著提升：杨氏模量达5.5 GPa、拉伸强度达190 MPa，优于原始环氧（1.7 GPa与40 MPa）及聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）和聚酰亚胺（polyimide, PI）；其热膨胀系数（CTE）由53 ppm K^?1降至10 ppm K^?1，接近石英玻璃；20 μm厚膜在550 nm处光学透过率达88%，银纳米线（silver nanowire, AgNW）电极在弯曲半径270 μm内电阻变化可忽略，经10,000次循环弯折后电阻仅增加11%（拉伸）和5%（压缩）；基于该杂化膜制备的电阻式触摸屏在100 °C下10天稳定工作，而PET基对照器件因CTE失配产生裂纹而失效；折纸结构刚性板与聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）弹性关节的集成更实现了50%全局拉伸应变下AgNW电极电阻几乎恒定，充分展示了CNF杂化体系在极端形变下的电学可靠性。

3. CNF作为粘结剂与结构支撑

Qian等以CNF为粘结基质，利用带负电的Ti₃C₂T_x与带正电的六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）通过库仑组装构建复合薄膜，使电导率由4.96 S cm^?1大幅提升至57.67 S cm^?1，体现了CNF在导电填料均匀分散与电子/声子传输中的双重功能。Wang等通过原位聚合法在MXene表面生长聚吡咯（polypyrrole, PPy），再浸渍经氢氧化钠预处理的PET织物，并以硅涂层构建疏水表面，有效抑制MXene氧化并提升耐洗牢度。表2系统归纳了CNF及其他表面改性剂对MXene基织物电子功能性能的影响，涵盖电导率、焦耳加热、电磁屏蔽、传感及抗菌等方面。

4. 制造方法

涂层策略因其简便与可扩展性而占据重要地位：浸涂可通过重复浸渍-干燥精确调控载量；原位聚合（如PPy/MXene@棉纱线）使纤维兼具107.3 MPa的力学强度与60.8 S m^?1的电导率；喷涂法适合大面积快速制备，MXene浓度通常控制在0.1–10 mg mL^?1；旋涂虽成膜均匀，但存在80–90%的溶液浪费，且受限于基底尺寸。静电纺丝方面，MXene/聚丙烯腈（PAN）复合纳米纤维经碳化后可显著提升电导率与超电容性能；MXene/P(VDF-TrFE)体系则通过后浸渍MXene进一步改善导电性；需警惕高电压导致的短路风险。湿法纺丝可连续制备导电纱线：MXene/PEDOT:PSS纤维电导率达1489 S cm^?1；Kevlar/MXene与MXene/芳纶纳米纤维（aramid nanofiber, ANF）体系分别通过共价与氢键增强界面结合；MXene/蚕丝与MXene/结晶纳米纤维素（crystalline nanocellulose, CNC）体系则赋予纤维可降解性或液晶行为；纯MXene无粘结剂湿法纺丝纤维电导率达7713 S cm^?1，而引入戊二醛后所得MGP纤维强度达585.5 MPa、电导率达8802.4 S cm^?1。卷轴技术（biscrolling）将MXene限域于碳纳米管（carbon nanotube, CNT）走廊内，实现高负载与多孔结构，但宿主材料限于CNT。

5. 影响因素

纤维类型决定最终性能：凯夫拉等高强度纤维适用于防护装备，而棉/氨纶等弹性体系则适合可穿戴传感；Zou等开发的MXene/棉/氨纶复合纱在100%拉伸下可完全回复，20%应变下经20、80及100次循环后回复率几乎不变，贴附于腕部与颈后可稳定监测运动。织物结构影响孔隙率与MXene负载量：缎纹织物因交织点少、结构更厚而实现最高MXene含量（0.297 mg cm^?2），光热温度可达251.7 °C，并具备20 kPa压力传感能力；三维牛仔布因额外厚度方向而提供更大比表面积，比电容达1748.5 mF cm^?2。MXene尺寸方面，LiF/HCl温和蚀刻可获更大片层；大尺寸MXene/rGO纤维电导率更高，但经电解质处理后因界面作用减弱而强度下降；小尺寸MXene虽电导率较低，却可增加电化学活性位点；小/大MXene复合体系通过小颗粒覆盖纤维表面、大颗粒桥接纱线，在耐洗性与电磁屏蔽方面优于单一尺寸。

6. CNF增强的应变与压力传感器

Li等通过对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane, TPU）非织造布进行预拉伸处理，在MXene/CNC导电层中构建微裂纹结构，利用CNF稳定TPU基底并增强界面氢键，显著提高了对外部应变的灵敏度。Ma等采用空气沉降纸为基底，经聚二甲基硅氧烷（PDMS）修饰后构建的压力传感器灵敏度达5.78 kPa，响应/恢复时间为30–40 ms。Zhao等利用聚苯乙烯（PS）微球模板制备三维中空MXene球，并与一维AgNW复合构建多尺度导电网络；该传感器在25–40%应变区间内 gauge factor（GF）达39，响应/恢复时间分别为0.62 s与0.61 s，且经2000次循环后性能稳定；通过集成电容式压力传感层，实现了X、Y、Z三轴多模态应变与接触位置感知，6×6阵列可精确映射压力分布。

7. 应用

7.1 可穿戴超级电容器

纺织基超级电容器因高功率密度、快充放电及长循环寿命而备受关注。Shao等在聚酯纱线上静电纺丝MXene–聚合物复合纳米纤维，所得纱线电极面积电容为18.39 mF cm^?2，6000次循环后容量保持98.2%；Yang等的PPy/MXene@棉纱线电极面积电容达455.9 mF cm^?2；Li等以MXene涂层棉织物（MCF）为电极构建对称器件，3个单元串联与4个单元并联后用于肘部热管理。能量收集方面，自供电电触觉手套（SPETH）利用氟化乙烯丙烯（fluorinated ethylene propylene, FEP）与银电极的摩擦起电及电容器储能，每次抓握产生约400 nC电荷，通过选配不同电容即可无级调节刺激强度，且刺激频率随握力自然变化，形成闭环反馈；二极管增强型织物摩擦纳米发电机（diode-enhanced textile triboelectric nanogenerator, D-T-TENG）将峰值电流由0.5 μA提升至13 μA，在大鼠实验中实现了胫骨前肌与腓肠肌的选择性刺激及肢体方向的精确控制。

7.2 热疗与可穿戴热设备

MXene凭借局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）表现出强光热与电热转换性能。Gong等在氨纶纱上构建Ti₃C₂T_x/PDA/Ni²⁺复合层，近红外（near-infrared, NIR）1.5 W cm^?2照射下光热稳定，抗菌率超过99.9%；Zhao等的非织造MXene织物在3 V下持续发热，可促进SD大鼠感染伤口愈合；Song等以草源纤维素为基底的MXene基表皮电极（MXene-based epidermal electrodes, MBE）在3 V下实现颈部肌肉加热；He等将海藻酸钠（sodium alginate, SA）与阻燃粘胶（flame-retardant viscose, FRV）混纺后喷涂MXene，2.5 V下表面温度达72.9 °C，兼顾舒适性与热疗需求。

7.3 可穿戴传感器

MXene的引入显著提升了纺织传感器的灵敏度、稳定性与响应时间。Liu等通过真空辅助层层组装将AgNW与MXene沉积于丝绸织物，其电阻随环境湿度变化而可逆改变，可用于人体排汗监测；丝绸与纤维素类似，具备良好的生物相容性与吸湿性，是湿度传感的理想基底。

8. 挑战与未来展望

MXene的氧化降解是制约长期可靠性的核心瓶颈，Ti₃C₂T_x在水性含氧环境中易氧化为绝缘TiO₂，导致电导率与机械完整性下降；提升策略包括聚合物封装（CNF、聚乙烯醇、聚氨酯等）、抗氧化剂/还原剂修饰、冷冻干燥、无氧储存及抗坏血酸/单宁酸等分子掺杂，其中CNF基保护网络兼具力学增强、分散优化与环境屏蔽功能。规模化制造方面，导电纱线的湿法/静电纺丝连续生产优于成品织物后改性，但需平衡电导率与力学强度，并依据应用场景（高弹、高强度、防水等）进行针对性材料选型。未来应着力于：开发低成本CNF提取与连续涂布/纺丝工艺；通过共价键、保护涂层及加速老化试验提升长期耐洗性与耐久性；拓展Mo₂TiC₂、Ti₄N₃等MXene及磷烯、硅烯等二维材料体系；推动3D打印CNF墨水、逐层组装与仿生梯度结构设计；结合计算建模与机器学习加速材料筛选与器件优化；建立涵盖氧化动力学、循环耐久性及货架寿命的标准化评价协议，以促进实验室原型向临床可应用的可穿戴治疗平台的转化。

9. 结论

CNFs作为可持续、高性能的多功能平台，为电子纺织提供了高机械强度、水性加工性、生物降解性及丰富表面化学基础。其既可作为结构粘结剂、柔性基底、功能组分，也可替代石油基聚合物；与MXene通过强氢键作用形成的复合体系兼具优异电学稳定性与机械耐久性。随着可扩展性、长期稳定性、耐洗性及成本等瓶颈被逐步攻克，CNF基电子纺织有望在下一代智能、舒适且环境友好的可穿戴医疗技术中扮演核心角色。