高透气性MWCNTs/TPU电子纹身：实现生理信号与运动追踪的双功能柔性传感新突破

　　本研究针对表皮电子设备在超薄结构与高效信号采集能力集成方面的挑战，开发了一种基于多壁碳纳米管（MWCNTs）和热塑性聚氨酯（TPU）的双功能电子纹身（e-tattoo）。通过简单的线棒涂布技术制备具有微孔结构的超薄TPU薄膜（厚度约1.4 μm，孔径0.58–2.15 μm），并采用喷涂沉积MWCNTs形成导电层。该器件表现出优异的水蒸气渗透性（26.75 mg cm?2 h?1，37 °C）和较低的电极-皮肤界面阻抗，能够高质量采集ECG和sEMG等电生理信号，同时具备高灵敏度应变传感功能（应变系数GF=15，0–100%应变范围）。其快速响应时间（102 ms）和良好循环稳定性（1100次循环）为可穿戴电子和人机交互应用提供了创新解决方案。

　　

在个性化医疗和智能人机交互迅猛发展的今天，能够紧密贴合皮肤的表皮电子设备（epidermal electronics）正掀起一场健康监测的革命。想象一下，像临时纹身一样贴在皮肤上的超薄传感器，可以实时追踪心跳、肌肉活动和身体运动，却几乎感觉不到它的存在——这正是电子纹身（e-tattoo）致力实现的未来。然而，现有的电子纹身仍面临一个棘手矛盾：如何既保持超薄柔韧的特性，又具备出色的信号采集能力？传统水凝胶电极虽贴合性好，但会随水分蒸发逐渐失效；而一些柔性材料又往往缺乏透气性，长时间佩戴容易积汗，引发皮肤不适甚至炎症。更不用说，复杂昂贵的制备工艺（如静电纺丝、光刻）也限制了其大规模应用。

为解决这些难题，来自福州大学机械工程及自动化学院的研究团队在《Journal of the Society for Cardiovascular Angiography》上发表了一项创新研究，他们成功研制出一种兼具高透气性和双功能传感特性的MWCNTs/TPU电子纹身。该器件不仅可作为干电极采集心电（ECG）和表面肌电（sEMG）信号，还能灵敏地监测皮肤应变，用于运动追踪和手势识别，为下一代可穿戴电子皮肤的设计提供了新思路。

研究采用线棒涂布（wire rod coating）技术制备超薄微孔TPU薄膜，并通过喷涂多壁碳纳米管（MWCNTs）水浆形成导电层。关键步骤包括在铜箔上涂布含PEG-2000（作为致孔剂）的TPU溶液，经凝固浴和热水处理去除溶剂后，蚀刻移除铜箔，获得支撑在PTFE膜上的独立TPU薄膜；最后覆盖定制掩模喷涂MWCNTs并固化，得到图案化电子纹身。性能表征涉及扫描电镜（SEM）观察微观结构、电化学工作站测试电极-皮肤阻抗、万能拉伸机评估应变响应，以及水蒸气渗透率测试（使用37°C恒温环境模拟人体条件）。生物学实验则按照ISO 10993-5标准，以L929细胞进行细胞毒性测试（MTT法）。

3.1. Preparation of MWCNTs/TPU microporous e-tattoo

研究人员通过线棒涂布法结合相分离过程，成功制备出厚度仅约1.4 μm的微孔TPU薄膜，孔径分布为0.58–2.15 μm。这种微结构为器件提供了卓越的透气基础。喷涂MWCNTs后形成的导电网络与TPU基底结合良好，且器件可借助透明质酸和甜菜根混合物轻松转印到皮肤，与深层褶皱完美共形，即使受机械应力也不易损坏。细胞毒性测试显示L929细胞相对增殖率达95%以上，证明其良好生物相容性。水蒸气渗透率测试表明，电子纹身的透气性（26.75 mg cm^?2 h^?1）与常用纺织品材料（如尼龙、纱布）相当，优于医用胶带。

3.2. E-tattoo for electrophysiology monitoring

与传统凝胶电极相比，该电子纹身因超薄透气特性可实现与皮肤的共形接触，减少空气间隙和运动伪影。电极-皮肤界面阻抗测试显示，其在低频和高频下的阻抗均显著低于凝胶电极（约60 kΩ vs. 1 MΩ低频）。实际信号采集中，电子纹身获得的ECG信号清晰呈现P波、QRS波群和T波，质量与凝胶电极相当；sEMG信号在肌肉收缩时也能有效捕获，且连续佩戴24至48小时后信号稳定性良好（ECG信噪比从7.22 dB略降至6.41 dB），证明其适合长期生理监测。

3.3. E-tattoo for strain detection

作为应变传感器，MWCNTs/TPU器件表现出高延展性（最大应变276%）和灵敏度，在0–100%和100–276%应变区间的应变系数（Gauge Factor, GF）分别为15和47.5。响应时间快至102毫秒，且在1100次拉伸循环中保持稳定阻力变化。研究人员进一步开发了莫尔斯电码应用实例：将器件贴于食指近端指间关节，通过轻微弯曲（ΔR/R <30%）和大幅弯曲（ΔR/R ≥30%）分别代表“点”和“划”，成功输出了“SOS”信号，展示了其在人机交互中的潜力。

该研究通过简单、可规模化的工艺开发出一种多功能电子纹身，有效解决了柔性电子器件在透气性、共形接触和长期稳定性方面的难题。其双功能特性（电生理监测+应变传感）拓展了可穿戴设备在医疗健康、运动科学和人机交互中的应用场景。尤其值得关注的是，器件在人体温度条件下表现出优异的水蒸气渗透能力，避免了汗液积聚带来的信号衰减和皮肤刺激问题，且细胞毒性低，符合生物安全要求。未来，这种高性能电子纹身有望成为个性化医疗和智能传感系统的核心组件，推动下一代电子皮肤向更舒适、高效、多元的方向发展。