基于细菌纤维素具有仿生取向结构的无液相离子导电弹性体用于双模式湿度传感与能量收集

《Carbohydrate Polymers》：Liquid-free ion-conductive elastomers with bioinspired oriented structures based on bacterial cellulose for dual-mode humidity sensing and energy harvesting

　　

## 摘要

一种兼具柔性、双模湿度传感和自供电能力的检测系统对于人体整体健康的实时监测至关重要。然而，无序的离子传输通道限制了无液体离子导电弹性体（ICEs）的通用性和应用范围。本研究利用细菌纤维素制备了一种具有仿生取向结构的ICE，其中细菌纤维素作为取向骨架提供快速离子传输通道，从而实现了双模湿度响应和自供电能力。优化的传输通道赋予材料高离子电导率（0.122 S m?1），是混乱结构对照样品的52.6倍。该材料表现出优异的断裂伸长率（609%）和突出的韧性（16.05 MJ m?3）。得益于取向结构与细菌纤维素吸湿性的协同效应，该材料在呼吸监测方面表现出优异的湿度响应性，在湿度驱动发电方面具有优异的输出电压（1.02 V）、功率密度（19.1 mW m?2）和可扩展性。此外，该材料能够实现电压和电阻信号的双模监测，提高了电信号的准确性。本工作为开发新型仿生多功能ICEs传感器提供了优化策略，促进了健康监测和能量收集的发展。

## 引言

根据世界卫生组织（WHO）的调查，慢性疾病目前占疾病总死亡人数的74%（Adolph & Tilg, 2024; Zhang, Li, et al., 2025; Zhang, Zhang, et al., 2025）。全球人口老龄化、慢性病的高发病率以及个性化医疗的趋势，共同催生了对可穿戴健康监测设备和科学医疗护理的需求（Dai et al., 2023; Kim et al., 2024; Si et al., 2023; Sun, Tian, et al., 2025; Sun, Wen, et al., 2025）。然而，市售的健康监测设备操作繁琐、成本高且耐用性差，只能在医院供患者使用，严重限制了不同需求群体的健康监测的灵活性和普适性（Liu, Wang, et al., 2025; Liu, Wu, et al., 2025）。因此，在人类健康问题日益突出的背景下，柔性传感器能够以非侵入性和实时方式检测人体呼吸信号、生理信号和组织运动信号，在实现疾病早期预测、个性化治疗和慢性病管理方面发挥着重要作用（Sun, Tian, et al., 2025; Sun, Wen, et al., 2025）。目前，柔性传感器的导电基体可大致分为电子导体和离子导体（Li et al., 2024; Zheng et al., 2025）。与电子导体相比，离子导体通过聚合物基体中的可移动离子传导电流，且具有固有的可拉伸性，从而克服了导电组分与聚合物基体之间的兼容性问题（Li, Tang, et al., 2025; Li, Wang, et al., 2025），被认为是下一代柔性电子设备的理想候选材料。

目前报道的柔性离子导体主要分为三类：水凝胶、离子凝胶和无液体离子导电弹性体（ICEs）（Li, Tang, et al., 2025; Li, Wang, et al., 2025; Yu et al., 2024）。与水凝胶和离子凝胶相比，新兴的ICEs通过解决水凝胶失水和离子凝胶溶剂泄漏的持续问题，在柔性传感应用中受到了广泛关注（Li et al., 2024）。然而，众所周知，ICEs的电导率和电信号是通过聚合物基体中链段的运动和离子的解离与迁移来实现的（Kong et al., 2025; Li, Tang, et al., 2025; Li, Wang, et al., 2025）。这导致电导率与机械性能之间存在典型的矛盾，使得ICEs仍存在离子电导率低（10??–10?2 S m?1）的问题。尽管近年来，许多研究者利用多种策略，包括多网络结构（Yiming et al., 2025）、深共晶溶剂（Zhao et al., 2025）和相分离（Li, Tang, et al., 2025; Li, Wang, et al., 2025），来提高宏观离子电导率。然而，根据公式（1）所描述的离子电导率（Yang, Han, et al., 2025; Yang, Zhang, et al., 2025），ICEs的离子电导率并非仅由载流子浓度决定，还与载流子迁移率密切相关，这意味着离子迁移通道是影响离子电导率的另一个关键因素。

σ = Σ c?μ?q?

其中 c?、μ? 和 q? 分别代表离子浓度、离子迁移率和离子电荷。因此，探索优化ICEs中离子迁移通道的有效策略对于实现高性能ICE传感器具有重要意义。特别是对于用于人体呼吸监测的湿度传感器，电信号的转换主要涉及两个过程：水吸附（湿度）和离子迁移（电信号产生）（Zhang, Chen, et al., 2024; Zhang, Ren, et al., 2024）。但在ICEs传感器的开发中，关于离子迁移通道对电导率和传感信号影响的研究有限。当前的ICEs通常是具有复杂且无序离子传输通道的功能聚合物。无序的传输通道难以实现高效离子传输，严重阻碍了电信号的产生过程。同时，单一的传感方法不利于电信号的准确性和个体健康状况的评估。更重要的是，柔性传感器缺乏自供电能力需要在实际应用中依赖外部电源，从而极大地限制了其操作灵活性和便利性。

湿度发电是一种绿色发电技术，利用无处不在的大气湿度为小型设备供电（Chen et al., 2022; Yang, Han, et al., 2025; Yang, Zhang, et al., 2025）。近年来，利用生物质吸湿材料开发的湿度发电机受到了越来越多的关注。特别是纤维素，凭借其卓越的吸湿性和三维网络结构，在湿度传感和能量收集器件中展现了巨大潜力（Huang et al., 2025; Lin et al., 2024; Zhou, Gao, et al., 2025; Zhou, Zhan, et al., 2025）。例如，Ye等人报道了通过微流控纺丝制备的液体传输增强型异质气凝胶纤维（HAF）。多种气凝胶纤维单元的基体型串并联集成使系统能够从可穿戴汗水或户外雨水收集能量，为GPS设备、户外帐篷照明和碳纳米管基电热毯供电（Liang et al., 2026）。Wei等人制备了Zn/纤维素滤纸（CFP）/纳米碳墨（NCI）/Cu结构湿度发电机（ZHGs）。十个ZHGs串联可以将商业电容器充电至3.83 V（Huang et al., 2024）。因此，我们假设引入细菌纤维素（BC）可以通过非共价相互作用在ICEs中构建取向结构。该结构不仅能够提高离子迁移效率，还能使ICEs基于BC的优异吸湿性和丰富的极性基团实现自供电能力与双模湿度灵敏性的更好协同，从而开发集成双模湿度传感和自供电能力的高性能传感器。

在自然界中，树木的木纤维沿着树干方向紧密排列，形成高度有序的纤维束。这些有序的纤维束形成微小的离子传输通道，使树木在纤维方向上能够高效地传输水和离子，从而有效维持树木的生命活动（Chen & Hu, 2020; Li et al., 2021; Wang et al., 2020）。受此启发，我们基于BC、LiTFSI和甘氨酸改性环氧化天然橡胶（GENR）制备了一种具有仿生取向结构的GENR/BC/LiTFSI薄膜（GEBL），其中取向结构优化了传输通道，实现了高效的离子传输。甘氨酸用于改性环氧化ENR以增强橡胶乳胶粒子与BC之间的分子间氢键。BC通过分子间氢键相互作用形成纳米纤维束。随后，在乳胶成膜过程中，GENR通过分子间氢键促进BC纳米纤维束形成仿生取向结构。仿生取向结构通过提供短程路径和降低离子扩散势垒，促进快速定向的离子传输，有效避免了无序结构中可能出现的随机碰撞、长路径迁移和能量损耗（图1a–b）。因此，GEBL实现了高离子电导率（0.122 S m?1）和离子迁移数（8.55 × 10?2），分别是无序结构对照样品的52.6倍和25倍。同时，GEBL还具有高拉伸性（609%）和韧性（高达16.05 MJ m?3）。得益于取向结构的高效离子传输和BC的湿度敏感性协同效应，GEBL表现出优异的湿度驱动发电和呼吸检测能力（图1c）。在75%相对湿度下，GEBL的输出电压和功率密度分别高达1.02 V和19.1 mW m?2。同时，GEBL传感器能够以电阻和电压模式准确检测不同频率的呼吸。因此，我们集成的双模湿度响应和湿度驱动发电的GEBL传感器成功应用于人体健康的实时监测，在人体健康检测和能量收集方面展现了巨大潜力。

## 材料

环氧化天然橡胶（ENR）乳胶（环氧化度40%，总固体含量30%）由中国热带农业科学院农产品加工研究所（广东湛江）提供。细菌纤维素（BC，直径：~15 nm；长度：微米级）购自ScienceK Co., Ltd。双（三氟甲磺酰）亚胺锂盐（LiTFSI，99.9%）、甘氨酸（>98%）和氨溶液由Aladdin Co., Ltd提供。

### GENR的制备

甘氨酸（0.5 g）

### GEBL取向离子传输通道的设计

细菌纤维素具有丰富的含氧官能团和高度聚集性，在离子传输和机械强度方面表现出优异性能，是构建高效离子通道的理想构建模块（Zhang et al., 2023; Zhang, Chen, et al., 2024; Zhang, Ren, et al., 2024）（图2a）。同时，环氧化天然橡胶作为天然橡胶环氧化得到的一种独特弹性体，含有极性环氧基团，能够作为……

## 结论

总之，受树木中有序纤维束通道的启发，我们成功制备了一种具有仿生取向结构的新型ICEs，为离子迁移提供了高效传输通道，从而实现了双模传感检测和能量收集。取向结构的设计实现了快速离子迁移并提高了离子迁移率。因此，GEB2L4实现了高离子电导率（0.122 S m?1）和离子迁移数（8.55 × 10?2），……

## CRediT作者贡献声明

Lingli Kong：撰写——初稿、软件、方法论。Xinlei Chen：调查研究。Junjie Lu：可视化、监督。Jiaxuan Li：数据整理。Yueqiong Wang：撰写——审稿与编辑、监督。Chuanhui Xu：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。

## 伦理声明

本研究中包含的所有数据均在每位参与者明确知情同意的情况下收集。参与人体运动感知测试的志愿者为贡献作者（本文第一作者，志愿者的性别不影响研究结果）。此外，所有涉及人体的实验均按照世界医学协会伦理准则进行，所有程序均符合伦理标准。

## 利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

## 致谢

本工作得到广西自然科学基金（2023GXNSFDA026049）、国家自然科学基金（22175044）和中国热带农业科学院科技创新项目（CATAS202632）的支持。

Lingli Kong | Xinlei Chen | Junjie Lu | Jiaxuan Li | Yueqiong Wang | Chuanhui Xu

广西大学化学与化工学院，南宁 530004，中国