绿色工程MoS2功能化无纺布：可水洗、生物相容性及压敏智能纺织品平台

《Frontiers in Nanotechnology》：Green-engineered MoS2-functionalized nonwoven fabric: washable, biocompatible, and pressure-sensitive smart textile

本文介绍了一种采用环境友好的柠檬酸辅助剥离-涂层工艺制备的MoS2功能化无纺布，作为一种柔性压阻式压力传感器。该智能纺织品结合了稳定的电机械响应、良好的重复性、低迟滞、可水洗性、抗菌活性（针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）及体外细胞相容性（79%细胞存活率），展现了其在可穿戴及生物接口应用中，作为高性能、生物安全、耐用型压力传感平台的巨大潜力。这为可持续高性能电子纺织品的个性化健康监测和智能可穿戴应用提供了重要路径。

　　

引言

智能纺织品，或称电子织物，正在深刻改变日常生活中电子技术的应用方式，将传统服装转变为能够感知、交互和通信的多功能平台。压阻式传感因其原理简单、功耗低和灵敏度可靠，被广泛认为是可穿戴电子系统最理想的信号转导模式之一。然而，将压阻材料集成到织物基底中仍面临技术挑战，包括导电材料涂层均匀性、界面结合强度以及长期信号稳定性。尽管二维材料如MoS₂、石墨烯和MXenes因其优异的压阻性能显示出巨大潜力，但当前的集成策略多依赖于能耗高、环境不友好的工艺。本研究旨在填补这一空白，提出一种结合环保MoS₂合成与可扩展织物涂层技术的统一策略。

材料与方法

材料

所用材料包括二硫化钼、无水柠檬酸、乙醇、导电膜（含碳颗粒的聚乙烯）以及无纺布基底。所有化学品均为分析级，实验使用双蒸水。

MoS₂合成与涂层

通过柠檬酸辅助液相剥离法制备MoS₂悬浮液。具体步骤为：将柠檬酸溶于去离子水形成溶液，再加入乙醇形成1:1的乙醇-水混合物。将MoS₂粉末逐步加入混合物中，搅拌后于40°C超声处理6小时。超声后，静置、离心，收集含有剥离MoS₂纳米片的上清液用于涂层。柠檬酸在过程中作为络合剂、剥离剂和分散剂，其羧基可削弱MoS₂层间的范德华力，促进剥离，并提供静电排斥以防止重新堆叠。预处理后的无纺布浸入MoS₂悬浮液中1小时，然后在100°C下干燥固化，最终MoS₂负载量约为7.20 ± 0.16 mg/cm²。

传感器组装与表征技术

传感器采用“三明治”结构：上下两层为MoS₂涂层无纺布（0.16 mm），中间为一层导电膜（0.09 mm），通过铜箔胶带引出电极。采用多种技术对材料进行表征，包括X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光谱、拉曼光谱、扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱、原子力显微镜以及四点探针电学测量。功能测试包括压力-电压/电阻响应、重复性、稳定性、水洗耐久性、温度依赖性、抗菌活性（采用AATCC 147标准）和细胞毒性（采用ISO 10993-5标准，以L929成纤维细胞为模型）。

结果与讨论

结构与表面分析

X射线衍射谱图显示出与六方晶相MoS₂匹配的特征峰，在14.4°处有明显的（002）面衍射峰，表明材料具有良好的层状结构和约0.62 nm的层间距，这对压阻行为至关重要。傅里叶变换红外光谱证实了O-H、C-O、C-H等基团的存在，并在480 cm^-1和649 cm^-1处观察到Mo-S振动模式，验证了MoS₂的成功负载。紫外-可见光谱在615 nm和680 nm处显示了明显的A、B激子吸收峰，表明成功剥离得到了少层MoS₂纳米片。拉曼光谱在376 cm^-1（E¹_2g）和404 cm^-1（A_1g）处有特征峰，频率差Δω为28 cm^-1，进一步证实形成了三到五层的MoS₂。

扫描电子显微镜图像显示，涂层后的无纺布纤维表面被颗粒状和片状的MoS₂均匀覆盖，表面变得粗糙。能量色散X射线光谱证实了Mo和S元素的存在，且比例符合MoS₂的化学计量。原子力显微镜分析显示涂层表面具有约2-3 μm的地形起伏和399.52 nm的均方根粗糙度，这种粗糙的纹理结构有利于提高压力传感灵敏度。

电学与机电性能

四点探针测量表明，未经涂层的无纺布电阻极高，为绝缘体。柠檬酸辅助合成的MoS₂涂层赋予了织物导电性，尽管其电阻高于无柠檬酸辅助的涂层，但这归因于形成了更均匀的纳米片渗透网络，这对稳定的压阻响应更有利。

机电响应测试表明，在施加50-500g重量（对应压力范围600-6000 Pa）时，传感器输出电压随重量/压力增加而单调增加，电阻则呈指数衰减。在600 Pa时，电阻为7.52 kΩ，电压为2.85 V；在6000 Pa时，电阻降至0.014 kΩ，电压升至4.99 V。该响应表现出良好的重现性（变异系数CV < 2%）。

重复性、稳定性与耐久性

在相同负载（250g）下对单个样品进行5次循环测试，电压输出高度一致，平均值为4.72 V，变异系数仅为0.57%。在300g恒定负载下持续监测300秒，电压信号稳定在4.73 V左右，漂移小于1%，显示了优异的短期时间稳定性。水洗耐久性测试表明，经过7次标准水洗循环后，传感器电阻从初始的6.92 kΩ增加到19.32 kΩ，增加了约2.8倍，但传感器在整个过程中仍保持功能。温度依赖性测试显示，传感器在30-100°C范围内表现出负温度系数行为，电阻随温度升高而降低，从6.52 kΩ降至0.81 kΩ，变化了8倍。

机械记忆与迟滞分析

加载-卸载循环测试显示，传感器的电压响应曲线具有高度的可逆性。最大迟滞出现在250g负载时，加载电压为4.73 V，卸载电压为4.62 V，迟滞值为0.11 V。在整个测试范围内的平均迟滞仅为0.07 V，约占信号范围的1%-2%，表明其机械弹性恢复能力优异，能量耗散极低。

生物活性与生物相容性

抗菌测试表明，MoS₂涂层织物对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌均具有明显的抑菌圈，而未经处理的对照织物则无抑菌作用。对金黄色葡萄球菌的抑制效果略强于大肠杆菌。细胞毒性测试显示，用不同浓度（0-100 μg/mL）的MoS₂提取物处理L929成纤维细胞24小时后，细胞存活率呈剂量依赖性下降，但在最高测试浓度（100 μg/mL）下仍保持79.97%的存活率，高于ISO 10993-5标准规定的70%非细胞毒性阈值，证明材料具有良好的生物相容性。

70% threshold across all concentrations with excellent reproducibility (CV < 1.25%, n = 3).">

结论

本研究成功开发了一种基于柠檬酸辅助绿色合成工艺的MoS₂功能化无纺布柔性压阻传感器。该传感器在600-6000 Pa的压力范围内表现出稳定、可重复的电机械响应，具有优异的重复性、低迟滞、良好的时间稳定性和一定的水洗耐久性。独特的“三明治”结构设计保障了信号的稳定性。材料表征证实了少层MoS₂纳米片的成功剥离与均匀涂层。此外，该智能纺织品还兼具对常见病原菌的抗菌活性和对哺乳动物细胞的良好相容性。与现有的银纳米线、石墨烯、MXene、碳纳米管或导电聚合物基纺织传感器相比，本工作的MoS₂-纺织品传感器在重现性、迟滞、生物功能集成方面展现出综合优势。这项工作通过系统整合绿色化学理念与纺织工程，为开发可持续、高性能的电子纺织品用于个性化健康监测和智能可穿戴应用提供了有前景的平台。