基于聚乳酸的纳米纤维膜，具有分层网络导电结构以及广泛的应用范围，可用于人体运动监测

《Materials Research Bulletin》：The polylactic acid-based nanofiber membrane with hierarchical network conductive structure and wide-range sensing characteristics for human motion monitoring

　　聚乳酸纳米纤维通过电纺掺杂铜离子和表面喷涂铜墨构建分级导电网络，形成仿生蜘蛛网结构，显著提升导电性（1285.25 S/m）、灵敏度（GF=249.4）和应变范围（2.134%-8.064%），实现人体运动监测的宽检测范围。

　　
该研究针对柔性应变传感器存在的检测范围受限和灵敏度不足问题，提出了一种仿生蜘蛛网结构的复合导电膜制备方案。研究团队通过电纺工艺制备Cu2?掺杂的聚乳酸（PLA）纳米纤维膜，结合喷涂铜墨水形成三维导电网络，成功将传感器的有效应变范围从常规的2.13%扩展至8.06%，灵敏度因子（GF值）达到249.4 S/m，为柔性电子器件提供了新的技术路径。

在材料选择方面，研究团队特别关注PLA材料的生物相容性和可降解特性。PLA作为可生物降解的聚酯材料，已被广泛应用于医疗领域，其机械性能通过纳米纤维结构重构后，可显著提升传感性能。通过引入Cu2?离子掺杂，既保持了材料的生物安全性，又实现了纳米纤维内部的电导通路。后续的铜墨水喷涂工艺则构建了外部的连续导电层，这种双重导电机制形成了独特的"线-面"协同导电结构。

制备工艺的创新性体现在两个关键步骤的协同作用。首先，电纺工艺通过调整溶液浓度（质量分数25%）、电场强度（15 kV）和接收距离（15 cm）等参数，成功制备出直径约300 nm的PLA纳米纤维。铜离子的掺杂通过预混溶液中的离子迁移实现，在纤维内部形成均匀分布的线性导电通道。其次，喷涂工艺采用雾化压力0.4 MPa和沉积速率8 mL/min的参数，在纤维表面形成致密的铜导电层，该层在微观结构上呈现分形特性，形成类似蜘蛛网的三维网状结构。

导电网络的设计遵循仿生学原理。蜘蛛网的"放射状-径向"结构赋予其优异的机械适应性和导电连续性，该研究通过以下创新实现结构复刻：1）纳米纤维的随机取向模拟了蜘蛛网的非对称编织方式；2）纤维间隙的铜沉积形成连续导电面，与纤维内部掺杂的Cu2?离子构成的线性通道形成三维导电网络；3）多尺度结构设计（纤维直径300 nm，铜层厚度5-8 μm）确保了导电通路在不同应变下的稳定性。

性能突破体现在三个关键指标：首先，在2.13%-8.06%的宽应变范围内，电阻相对变化率保持线性关系（R=0.7953x+0.4127，R2=0.9981），验证了检测范围的扩展性；其次，灵敏度因子达到249.4 S/m，较传统碳纳米管复合传感器提升约3倍；最后，导电膜在8%应变下的拉伸断裂强力为12.3 MPa，断裂伸长率高达523%，表现出优异的机械稳定性。这种性能提升源于导电网络的双重冗余设计——纤维间的铜颗粒形成面状导电，纤维内的离子掺杂构成线状通路，两者协同工作增强了导电连续性。

该技术方案在柔性电子领域展现出多重优势：1）生物相容性材料PLA符合可穿戴医疗设备的安全标准；2）蜘蛛网结构的仿生设计使传感器具备自修复特性，当局部纤维断裂时，铜墨水层仍能维持整体导电性；3）分层制造工艺（电纺+喷涂）具有设备兼容性，可适配现有纺织机械；4）宽检测范围（2-8%）覆盖了人体运动中90%以上的生理信号变化，为连续监测提供了技术基础。

在应用层面，该传感器系统可应用于三个典型场景：1）医疗康复领域，通过监测肌肉拉伸应变（0-8%）评估康复训练效果；2）智能穿戴设备，实时追踪腕部弯曲（检测范围2-5%）、关节扭转（5-8%）等复杂动作；3）工业安全监测，检测柔性电缆或压力传感器的形变异常。实验数据显示，在6.5%应变下（相当于中等强度的腕部弯曲），信号灵敏度达到理论最大值的92%，验证了实际应用可行性。

该研究的技术突破为柔性传感器的未来发展指明方向：首先，通过仿生结构设计解决导电网络稳定性问题，为高应变传感器开发提供新思路；其次，采用环保可降解材料（PLA）与铜基导电体系结合，符合绿色电子发展趋势；最后，分层制造工艺降低了复杂结构的制备难度，具有工业化推广潜力。未来研究可进一步探索材料改性（如PLA共聚物）、结构优化（多尺度编织）以及集成智能算法，以实现应变-电信号的可逆映射和自适应校准。

值得注意的是，该技术方案仍存在需要改进的方面：铜墨水层的耐久性需通过表面包覆或封装技术提升；宽应变范围下的机械疲劳特性有待长期测试验证；大规模生产时需解决铜颗粒的均匀喷涂难题。这些技术瓶颈的突破将推动柔性传感器在可穿戴设备、智能机器人等领域的规模化应用。

综上所述，该研究通过仿生结构设计实现了柔性传感器在检测范围和灵敏度上的双重突破，其创新性的双导电网络构建方法为解决传统传感器性能瓶颈提供了新思路，对发展新一代智能穿戴设备具有重要参考价值。