可扩展的导电丝绸纺织品制造技术，用于集成运动监测和自适应热管理

《Biosensors and Bioelectronics》：Scalable fabrication of conductive silk textiles for integrated motion monitoring and adaptive thermal management

多功能MXene导电丝绸纺织品实现宽应变范围高灵敏传感与稳定焦耳热效应，其通过丝心修饰MXene墨水与HDI交联提升机械耐久性和环境稳定性，在1-100%应变下展现负标定因子（GF=-6.08）、低迟滞特性，并能在9V电压下稳定产生40℃左右的热量，为运动健康监测与极端环境适应提供新平台。

　　

张文武|刘婷|于守山|陈克正|乔胜林

青岛科技大学材料科学与工程学院功能与生物医学纳米材料实验室，中国山东省青岛市266042

摘要

开发具有集成运动传感和热管理功能的多功能智能纺织品对于先进的可穿戴电子设备至关重要，尤其是在健康监测、伤害预防和环境适应方面。本文介绍了一种耐用的、可扩展的MXene改性导电丝绸纺织品（HMS-ST），它同时具备负应变系数传感和焦耳加热特性。HMS-ST是通过将丝纱浸渍在丝胶（SC）改性的MXene（MS）墨水中，然后使用六亚甲基二异氰酸酯（HDI）进行交联处理来制备的，从而提高了机械强度、耐洗性和抗氧化稳定性。该纺织品具有超宽的应变检测范围（1-100%），高负应变系数（GF = -6.08），以及最小的滞后现象，能够实现高精度的运动监测。此外，它在9伏电压下可稳定产生约40摄氏度的热量，且在50%的应变下热波动微乎其微。这项工作为实时运动追踪和自适应热调节提供了一个机械性能优异、柔韧且可扩展的电子纺织品平台，在生物力学分析、康复工程和极端环境保护领域具有巨大潜力。

引言

可穿戴电子技术的进步在运动健康监测和个人热管理方面带来了显著的创新，特别是在运动科学、康复医学和极端环境保护等领域（Chen等人，2025年；Dong等人，2025年；Liu等人，2025年；Yang等人，2025年）。持续监测人体运动对于预防肌肉骨骼损伤、优化运动表现以及辅助康复至关重要（Wang等人，2024年；Wu，2025年；Zhang等人，2024年）。同时，体温调节对于防止运动引起的低温症至关重要，尤其是对于参加马拉松、登山或冬季运动等长时间户外活动的运动员（Lin等人，2025年；Liu等人，2025年；Wang等人，2025年；Yang等人，2025年）。在这些条件下，突然的温度下降可能导致体温过低、肌肉僵硬，甚至出现由寒冷引起的血管收缩和运动协调能力受损等危及生命的情况（Jia等人，2025年；Liu等人，2021年）。因此，将运动传感和主动热调节集成到单一的可穿戴纺织品中，可以为实时健康监测和自适应环境保护提供全面的解决方案（Dong等人，2025年；Wang等人，2024年；Zhong等人，2025年）。

为应对这些需求，柔性电子纺织品作为一种有前景的替代方案应运而生（Yang等人，2025年；Zhang等人，2025年）。与传统应变计或可穿戴设备相比，导电纺织品具有天然的柔韧性、透气性和可穿戴性，可以无缝地与人体结合，实现长期、不显眼的监测（Chen等人，2024年；Zhang等人，2024年）。这些导电纺织品能够检测生物力学变形以实现实时运动传感，当经过适当设计后，还可以作为焦耳加热器在恶劣条件下维持体温平衡（Duan等人，2025年；Tian等人，2023年）。在各种用于此类应用的导电纳米材料中，基于MXene的纺织品因其出色的导电性、高比表面积和优异的机械强度而受到广泛关注（Abay等人，2025年；He等人，2024年；Usman等人，2025年）。这些独特的性能使得MXene特别适合用于下一代智能可穿戴系统。例如，Yu等人利用锌离子（Zn²⁺）插层制备了具有高抗氧化性能的MXene（ZM），并使用基于MXene沉淀的可打印凝胶墨水（ZMS-ink），通过喷涂和丝网印刷技术以纤维素非织造布（CNWs）为基底，成功制备了多功能可穿戴纺织品。这些智能可穿戴压力传感器集成了高灵敏度传感、电磁干扰屏蔽和高效光热/光动力抗菌功能，在健康监测、医疗治疗和多种生物保护应用中显示出巨大潜力（Yu等人，2024年）。此外，Su等人结合静电自组装和微立体光刻3D打印技术设计并制造了一种SiCw@MXene/SiOC超小型曲面超结构，该结构表现出优异的宽带太赫兹波屏蔽性能、热绝缘性能和电热转换性能。由SiOC、一维SiCw和二维MXene组成的超结构形成的导电路径在提高焦耳加热性能方面发挥了积极作用。这种结构可以在低驱动电压下通过电热转换产生热量，并通过调节输入电压实时调节其表面温度。此外，即使在运行1小时后仍能稳定产生焦耳热（Su等人，2025年）。

然而，尽管MXene具有许多有吸引力的特性，将其集成到导电纺织品中仍面临一些关键挑战，这些挑战阻碍了实际应用。首先，MXene纳米片存在固有的氧化不稳定性，随着时间的推移，特别是在长时间暴露于大气氧气和湿气中，其导电性和功能性能会显著下降（Li等人，2024年；Yan等人，2023年）。其次，MXene与纺织品基底之间的界面粘附力较弱，导致在反复机械变形、洗涤循环和长期使用下的机械耐久性较差（Kim等人，2025年）。第三，传统的基于MXene的应变传感器通常依赖微裂纹扩展或纳米片滑动机制来产生电响应，这可能导致滞后、非线性和有限的伸展性，尤其是在高应变水平下（Bai等人，2023年；He等人，2025年；Seyedin等人，2020年）。此外，由于导电路径分布不均以及动态应变条件下的局部加热不一致性，实现基于MXene的纺织品的稳定和均匀焦耳加热性能仍然具有挑战性（Xue等人，2025年；Zhou等人，2025年）。解决这些限制对于开发具有可靠传感和加热功能的高性能MXene基电子纺织品至关重要。

为了克服这些障碍，本研究提出了一种可扩展的HMS-ST制造策略，该策略将高性能应变传感与高效焦耳加热相结合。通过使用MS墨水和HDI交联，这种导电纺织品实现了优异的机械稳定性、长时间的环境耐久性和出色的耐洗性（Liang等人，2022年）。与依赖微裂纹引起的电阻变化的传统基于MXene的应变传感器不同，所提出的HMS-ST系统利用了负应变系数机制，其中纬编结构中的环间接触电阻主导了电响应。这种独特的传感机制确保了宽广的线性检测范围（1-100%应变）、高灵敏度（GF = -6.08和-4.39）和最小的滞后现象，从而实现了精确的实时运动追踪。此外，HMS-ST的焦耳加热功能实现了精确的温度调节，在9伏电压下可稳定达到约40摄氏度的平衡温度，并具有优异的循环稳定性，即使在机械变形的情况下也是如此。这种机械性能优异的多功能导电纺织品的开发标志着可穿戴健康监测和自适应热调节领域的重大里程碑。通过无缝集成应变传感、电加热和机械韧性，HMS-ST平台为下一代智能可穿戴设备铺平了道路，这些设备可以应用于运动表现优化、康复监测、极端天气保护和人工智能驱动的医疗系统。

材料

详细信息见支持信息。

HMS-SY的制备

将MS墨水涂层的SY（MS-SY）浸入无水乙醇中，然后加入HDI（0.33 μL / 1厘米长度的MS-SY）。系统密封后置于60摄氏度的环境中并保持不同时间以促进反应。反应完成后，取出HDI交联的MS-SY（HMS-SY），用无水乙醇清洗，最后在60摄氏度的烤箱中干燥20至40分钟（Liang等人，2022年）。

详细信息

MXene墨水涂层导电丝绸纺织品的制备

采用可扩展的浸涂方法制备MS-SY（图1a和b）。通过使用HCl–LiF混合物选择性蚀刻Ti₃AlC₂获得Ti₃C₂T_x MXene纳米片。在超声波搅拌下将单层纳米片与丝胶按不同重量比混合以增强界面亲和力。去除未反应的丝胶后，重新分散混合物以形成稳定的MS水性墨水（Liang等人，2020年）。然后将商业丝纱（SY）浸渍在这种墨水中以制备MS-SY。

结论

总之，我们开发了一种基于溶液的可扩展浸渍方法，将MS墨水涂覆在丝纱上，随后通过HDI交联来提高机械完整性和环境稳定性。所得的HMS-SY纺织品保留了原始丝绸纺织品的透气性、柔韧性和舒适性，同时表现出优异的导电性、耐磨性和耐洗性。在拉伸应变下，该纺织品表现出由应变减少引起的独特负应变系数。

CRediT作者贡献声明

张文武：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。刘婷：撰写——原始草稿、研究。于守山：研究。陈克正：监督、方法论、资金获取、撰写——审阅与编辑。乔胜林：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化

未引用的参考文献

Dong等人，2025年；Liu等人，2025年；Wang等人，2024年；Yang等人，2025年；Yang等人，2025年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52203174）、山东省自然科学基金（ZR2024ME085）、青岛市自然科学基金（25-1-5-smjk-6-nsh）以及青岛科技大学的创业基金（1203043003694）的支持。