北科大王东瑞教授ACS Materials Letters：用于多功能传感的高可拉伸、可降解、可修复并防冻的类皮肤导电纤维

近年来，柔性电子设备的发展趋势是可穿戴集成，尤其注重高灵活性、舒适性和透气性。其中，纤维型电子器件因其具有高柔韧性、重量轻、可编织性等优点而受到研究者的广泛关注。但是，柔性电子设备的快速发展也引发了的研究者们对电子垃圾堆积的担忧。丝素蛋白因其固有的生物相容性和可降解性，被认为是制备可降解纤维型电子器件的理想材料。然而，现存的纤维型电子器件的制备仍存在一些挑战，比如在长期使用过程中器件难免会受到外部应力或处于恶劣环境（如低温）中，从而导致设备故障的概率增加。因此，开发出基于丝素蛋白的可拉伸、可降解且具有可修复性和抗冻性的导电纤维以满足人们日常生活的需求是非常有必要的。

北京科技大学王东瑞教授课题组设计出利用具有强吸水性能的CaCl2塑化MXene/丝素（silk）纤维。所制备的MXene/silk纳米复合纤维（Ca@MSNFs）具有可吸湿性（3.2 g g-1，相对湿度为90%时）、高可拉伸性（279.9%）、可降解性、可修复性及抗冻性（-18°C）。该导电纤维可组装为湿度传感器和应变传感器，用于人体的健康监测，在呼吸暂停综合症的诊断和康复训练中展示出较好的应用前景（图1）。

图1. Ca@MSNFs的制备过程、Ca2+对丝素蛋白微观结构影响以及Ca@MSNFs的多种性能示意图。

首先，Ca@MSNFs的性能与CaCl2和MXene的含量及环境湿度密切相关。当湿度较大时，由于Ca2+具有强吸水作用，Ca@MSNFs可以从空气中吸收水分子，从而影响丝素蛋白的结晶度和二级结构，赋予其可拉伸性。X射线衍射（XRD）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）的结果均表明引入Ca2+后，丝素蛋白的β-折叠结构减少，无规线圈结构增加（图2）。

图2. Ca@MSNFs的形貌及材料表征。

其次，由于Ca@MSNFs中silk、MXene、Ca2+和H2O之间存在多种动态相互作用（氢键和配位键），使得Ca@MSNFs表现出良好的可修复特性（图3a）。此外，Ca2+强水合作用阻碍了水分子之间的定向排列，从而降低Ca@MSNFs中水的冰点，使导电纤维具有抗冻性（图3b-e）。最后，作者进一步探究了Ca@MSNFs的降解性能。结果表明，将导电纤维浸泡在木瓜蛋白酶溶液中，纤维会随着时间而降解，不会对环境造成污染和破坏（图3f）。

图3. Ca@MSNFs的修复性能、抗冻性能及可降解性能。

综上所述，本工作基于吸湿盐塑化丝素蛋白的策略开发出可拉伸、可降解且具有可修复性和抗冻性的纤维型传感器，这一策略将为开发更多可用于医疗保健的先进功能材料提供了新思路。该研究以“Hygroscopic MXene/Protein Nanocomposite Fibers Enabling Highly Stretchable, Antifreezing, Repairable, and Degradable Skin-Like Wearable Electronics“为题发表于《ACS Materials Letters》。论文第一作者为博士研究生岳连聪，通讯作者为王东瑞教授和宫敏讲师。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.3c00397

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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