研究背景
新兴的柔性电子技术的出现正在渗透到人类日常生活的各个领域，包括柔性触觉传感系统、人工电子皮肤、智能纺织品、可穿戴健康监测、可植入装置等，它正在引领我们构建和使用电子产品的时尚。目前，在可拉伸、可穿戴、生物相容性、甚至可植入的电子产品领域的巨大发展，大大拓宽了物联网 (loT)的应用范围，这同时对拥有低重量、低功耗、稳定功能和低制造成本的电子设备提出了巨大挑战。此外，用于监测人类运动和医疗保健的柔性电子器件需要设备和每个组件有足够的应变能力，以及集成功能，以满足不同应用场景的要求。新材料和先进的集成策略在突破这些限制方面起着关键作用。由于纳米技术和微/纳米加工技术的快速发展，各种导电纳米材料(如金属纳米颗粒、金属纳米线、碳黑、石墨烯及其衍生物、碳纳米管 (CNT)、MXene 和导电聚合物)已被用于构建柔性电子器件，如可拉伸导体、薄膜晶体管、可穿戴传感器、能量产生和采集装置，其中包括驼峰、多孔、面内波纹、皱纹表面的推进结构，以及软基材上的一些复杂图案(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇 (PET)、聚亚胺 (PI))，以提高器件的机械容限。考虑到器件的性能和成本，以及复杂的制造程序，它们的进一步发展和广泛的应用受到上述材料和制造技术的限制。
电纺提供了一种通用的、低成本的、大规模的方法来生产具有非凡性能的超薄纤维，如高表面积、多孔性、灵活性和多样化结构。此外，纳米纤维组合的多样性正在广泛地拓宽其在组织工程、药物释放、水净化、光电设备、植入式设备、能量产生和采集设备等方面的应用。电纺纤维的成分多样性，可以从聚合物、小分子、胶体和复合材料中诱导出来使其物理和电气性能可以根据具体应用进行高度调整。因此，电纺纤维可以被用作电子学中的不同部件，如导电元件、基材、强化成分，甚至是全纤维结构。此外，受益于电纺纤维的不同结构(例如，多孔、中空、芯壳、多通道和纳米带)和它们的组合。电纺纤维为柔性电子器件提供了一系列特定的优势，包括灵活性、透明度、导电性、透气性、自我修复能力和可清洗性，这些优势赋予了器件高性能和某些突出的功能。这种基于电纺纤维的电子器件可以作为不同的平台，如拉伸电极、电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、晶体管、纳米发电机和植入式设备，用于监测一系列的人类身体活动电生理信号、生物分子，甚至生物组织的再生，实现随时随地获取个人健康信息。
研究成果
在过去的二十年里，柔性电子器件由于其独特的特点和在电子皮肤、人机界面、柔性显示器、可穿戴传感器、便携式能源设备和植入式设备中的众多潜在应用而引起了相当大的关注。电纺纤维具有优良的机械性能和量身定做的物理化学性能，对于制造新兴的柔性电子器件具有很大的前景。本文全面回顾了基于电纺纤维的柔性电子产品，从电纺技术的介绍、电纺纤维的多样性、电纺纤维电子产品的集成策略到各种传感平台，包括电极、电阻、电容、压电/摩擦静电、电化学和晶体管类型。这些基于电纺纤维的传感设备可以集成在多种传感方式、无线通信、自供电和热管理功能内，并受益于电纺纤维的优势，如灵活性、坚固性、高孔隙率多样化的纤维形态和组装、轻质和低成本，这些基于电纺纤维的柔性电子器件在日常生活中对个人保健的监测发挥着越来越重要的作用，包括生物物理信号检测、生化信号检测、电生理信号检测，以及促进细胞和组织再生作为植入式设备。在综述的最后，提出了电纺纤维基柔性电子器件的几个未来发展方向。相关报道以“Electrospun fiber-based flexible electronics：Fiber fabrication， device platform， functionality integration and applications”为题发表在Progress in Materials Science期刊上。中科院苏州纳米所张珽研究员为该综述通讯作者，高强博士后为该论文第一作者，共同作者还包括静电纺丝领域著名学者德国拜罗伊特大学的Seema Agarwal教授和Andreas Greiner教授。
图文导读
Fig. 1. Progress of electrospun fiber-based flexible electronics in the past decades.
Fig. 2. An illustration of the electrospun fiber-based flexible electronics.
Fig. 3. Electrospinning setup and process.
Fig. 4. Structure diversity of electrospun fibers.
Fig. 5. Diversity of electrospun fiber assemblies.
Fig. 6. (a) A needleless electrospinning setup for mass production of nanofibers. (b) Schematic diagram of the components of the multi-nozzle electrospinning system (upper part) and the nanofiber mass production system (bottom part). (c) A roll of self-supporting porous membranes.
Fig. 7. Flexible electronics based on electrospun fiber substrates.
Fig. 8. Flexible electronics based on electrospun fiber reinforced materials.
总结与展望
在这篇综述中，作者介绍了基本的电纺技术。各种材料，包括聚合物、小分子、胶体系统和复合材料，已经被电纺成直径范围从纳米到宏观的纤维。不同的电纺方法(如远场和近场模式、同轴、并排和凝固电纺)、可行的喷嘴系统(如针阵列、旋转钢丝、圆盘、球和圆筒)以及纤维的收集方式(钢丝、圆盘、滚筒、轮锥和液浴)赋予了原纺纤维成分和结构的多样性。目前，各种具有不同成分(聚合物、金属、碳、陶瓷和复合材料)的纳米纤维已经被开发出来，并利用电纺技术构建了先进的结构，如多孔纤维、螺旋纤维、分支纤维、带状纤维、项链状纤维、弹簧状纤维、芯壳纤维、中空纤维和多通道纤维。后处理方法提供了更多机会来制造具有关于特定应用的定制物理化学特性的纳米纤维。在柔性电子学中，电纺可以被用于各种功能元件，如柔性基材、加固元件、正电元件，甚至是所有元件都由电纺纤维构成的全纤维结构。这种基于电纺纤维的装置可以由单一纤维、纳米纤维纱、二维或三维纤维网络和纤维混合水凝胶构建。基于电纺纤维的电子器件呈现出有利的特点，包括材料多样性、纤维形态多样性、组装多样性、大比面积、小尺寸和大长宽比、灵活性、透气性、自愈性和洗涤能力。与薄膜类器件相比，上述优点使电纺纤维类电子器件在可穿戴应用方面具有独特的优越性。与织物电子器件不同的是，它们的超轻重量和柔韧性使佩戴的舒适性得到了明显的改善，甚至没有对人体感觉带来可察觉的影响。这些优势特点使它们在作为可穿戴电子器件，特别是作为表皮电子器件方面的应用更为先进。
关于传感机制的差异，人们已经探索出了包括物理、化学和生物传感器在内的柔性传感平台这些基于电纺纤维的传感平台都具有其特点。为了更好地满足实际需求，柔性传感器应该能够感知多种外部刺激，例如，在一个设备中区分力、温度、湿度和分子类别。自供电和无线通信功能避免了连接电缆引起的不便，并允许远程控制设备，提高设备的便携性。其他集成功能，如热管理、自清洁和生物相容性，将大大丰富应用场景。迄今为止，基于电纺纤维的柔性电子器件在个性化医疗方面发挥着不可替代的作用，包括生物物理、生物化学和电生理信号的监测，以及在生物医学领域。
电纺技术已经发展成为一种强大的工具，可以制造出具有各种成分和结构的超薄纤维，应用于许多领域。由于纳米加工和材料科学的进步，电子设备实现了可穿戴能力，并被用于获取个人健康信息。目前，在构建基于电纺纤维的人体健康监测设备方面已经取得了惊人的成就这激励着研究人员披荆斩棘，继续前进。尽管最近进展迅速，但仍有一系列挑战存在，应子以解决。首先，制造具有高导电性的固有导电纳米纤维仍然是一个挑战。尽管导电和半导电聚合物已被电纺成导电纤维，但其导电性能仍不令人满意。大量导电填料的加入为电纺纤维提供了高导电性，其结果是其柔韧性将明显下降。此外，大量的填料常常导致电纺性的下降，这对纤维的形成是不利的。因此，发现和发明用于电纺的新导电材料是至关重要的。其次，提高基于电纺纤维的可拉伸电子器件的耐久性仍然是一个挑战。由于合理的材料选择和集成策略，具有高拉伸能力的纳米纤维电子产品已经实现，这些设备能够被拉伸到2000%。聚合物纤维和导电填料 (如石墨烯、CNT、AgNW 和 Ag 纳米片)之间的机械不配往往导致大量多次拉伸变形过程中电导率严重下降。这种传导性的变化进一步影响了设备的传感性能。液态金属已经证明了对基材的超顺应性和拉伸能力。这种类型的材料的主要问题是暴露在空气中时由氧化反应引起的导电性下降，以及长期直接与生物组织接触时的生物相容性。应探索新的集成策略和纤维组装方法，以提高基于纳米纤维的电子产品的耐久性。第三，开发多功能的纤维基器件是至关重要的。目前，基于纤维的电子器件已经实现了同时感知几个外部刺激，如应变、压力和温度，或在一个设备内检测各种分子，或一个传感器具有加热管理、透气性、自清洁能力、自供电或无线通信等额外功能。然而，实现上述所有功能在纤维电子器件内的集成，即使与目前的薄膜型柔性电子器件相比，仍有很长的路要走。第四，另一个有待解决的问题是在纳米纤维组件内直接制造纳米电子器件，例如微/纳米晶体管。尽管电纺纤维呈现出超薄的特征(直径为几百纳米)，但这种纤维组件的高粗糙度导致其表面有明显的高度截距，范围达几微米，这限制了在其上制造的微/纳米器件。因此，开发具有先进子结构的纳米纤维组件将是打破这一障碍的可能途径。最后，尽管已经成功地制造了大尺寸的几米见方的纳米纤维垫，但目前大多数电纺纤维电子器件仍然是在实验室规模的电纺装置中制造的，其中，制造的电子器件通常具有<10 厘米x10 厘米的小尺寸。更大的尺寸可以在其中集成更多的定制功能，因此，当作为电子皮肤或电子织物用于个性化医疗监测时，这样的大尺寸设备有望更好地发挥其功能。然而，材料和结构的制造成本是决定该设备价格的关键。目前，许多基于电纺纤维的柔性电子装置在实验室中进行概念验证的成本很高。对于大规模生产，需要不断探索低成本的解决方案。如何开发具有工业规模的高性能纳米纤维柔性电子器件，仍然是未来努力的方向。
总之，电纺纤维为柔性电子领域打开了一扇新的窗口，即使在这方面还有许多挑战需要克服但我们相信未来会有更多的探索，以推动基于电纺纤维的柔性电子在可穿戴和植入式设备中的发展，这些设备在我们的日常生活中用于个性化医疗监测和疾病治疗。
文献链接
Electrospun fiber-based flexible electronics: Fiber fabrication, device platform, functionality integration and applications
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101139
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