受生物启发的粘附增强MXene涂层织物，用于人体健身运动监测中的应变传感性能

《Progress in Organic Coatings》：Bio-inspired adhesion enhanced MXene-decorated fabric for strain sensing performance in human fitness exercise monitoring

　　

王新燕|杨继贤|陈志轩|彭玉国|张月|于学志|曹继鹏|马俊驰

辽宁大学纺织与服装学院，中国辽宁省丹东市，118000

摘要

基于MXene的柔性织物应变传感器在可穿戴人体运动监测方面具有巨大潜力；然而，其实际应用受到MXene氧化稳定性差以及导电涂层与弹性织物基底之间界面粘附力弱的严重限制。本文提出了一种仿生双重增强策略，制备了一种具有优异性能的MXene基粘合复合涂层织物（BMAC-fabric），用于高性能健身运动监测。该织物受到蜗牛黏液粘合特性和树蛙脚垫微纳结构的启发，选用了一种含有羟基和磺酸基团的功能性共聚物（HE-co-SV）作为界面粘合剂。这种HE-co-SV不仅通过离子氢键、静电锚定和广泛的范德华相互作用显著增强了MXene纳米片与超弹性织物骨架之间的粘附强度，还为导电MXene网络提供了内在的抗氧化保护。因此，与传统的MXene涂层织物相比，制备的BMAC-fabric传感器在应变检测范围（0–150%）、检测限（2%应变）和响应/恢复时间（120/180毫秒）方面表现出显著提升。此外，它还具备优异的抗氧化性和机械耐久性，在72小时紫外线照射和2000次循环拉伸后仍能保持稳定的表面电阻。凭借这些优点，BMAC-fabric传感器能够准确实时监测关节弯曲（大变形）和肌肉收缩（微小变形）行为。这项工作为开发耐用且灵敏的织物基电子设备提供了一种有前景的仿生方法，为下一代个性化健身训练和人形机器人交互奠定了基础。

引言

随着柔性电子、多功能设备集成和人工智能的快速发展，人体运动监测传感器正朝着智能化、多功能化、小型化和可穿戴方向发展[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。近年来，基于织物的柔性应变传感器受到了广泛关注，因为它们在生理舒适性（透气性和亲肤性）与日常服装无缝集成需求之间实现了理想平衡[7]、[8]、[9]。这些特性使织物应变传感器在实时人体运动监测方面具有独特优势，包括关节活动追踪、手势识别，甚至能够收集呼吸和脉搏等微弱生理信号[10]、[11]。特别是在健身和运动监测领域，织物传感器能够同时捕捉关节运动的大变形（弯曲和扭转）和肌肉的微小变形，对于优化训练姿势、预防运动相关损伤以及提供定量反馈以提升运动表现具有巨大潜力[12]、[13]、[14]。

基于织物的应变传感器通常是通过在弹性织物骨架上涂覆导电涂层来制造的，从而在纤维表面形成相互连接的导电网络[15]、[16]。导电涂层可将外部机械变形转化为可检测的电学电阻变化，实现应变检测功能[17]、[18]。涂层中的导电纳米材料对于构建导电网络至关重要，常见的包括炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属纳米线、液态金属等[19]、[20]、[21]。在各种导电材料中，二维MXene（Ti₃C₂）作为一种过渡金属碳化物，在下一代E-织物中受到了广泛关注，因为它具有高导电性（>8000 S/cm）、机械柔韧性和丰富的表面化学性质[22]、[23]、[24]。此外，MXene表面的羟基（O, –OH, F）使其具有高度亲水性，这对于提高导电层与织物纤维之间的界面粘附性至关重要[25]、[26]。MXene可以通过喷涂、浸涂或打印等可扩展技术与其他织物基底复合[27]、[28]、[29]。例如，刘等人[30]通过将2D MXene（Ti₃C₂）纳米片与棉织物结合，开发出一种高性能的可穿戴应变传感器。该传感器具有4.11的灵敏度因子（GF）、15%的应变检测范围和0.3%的最小检测限，能够检测到微小的生理活动和大规模的身体运动。此外，我们的团队还通过将MXene纳米片滴涂在柞蚕丝/氨纶复合织物上，制备了一种双模态应变/压力传感器[31]。利用织物的3D弹性结构和MXene的优异导电性，该织物实现了150%的应变检测范围、6.21的灵敏度因子以及80/160毫秒的响应/恢复时间，能够监测关节弯曲和肌电图信号等全身运动。彭等人[32]在尼龙织物表面制备了聚多巴胺（PDA）层，通过氢键增强了MXene与纤维之间的粘附。这种基于MXene的织物具有30%的应变检测范围、50.5的灵敏度因子和60/80毫秒的响应/恢复时间，以及15%应变下的耐久性（3200次循环）。这些特性使织物具备了实时准确监测关节和肌肉运动的能力。

然而，基于MXene的织物应变传感器的实际应用面临两个关键挑战[33]、[34]。首先，MXene纳米片在常见环境或潮湿条件下极易氧化。这种自发反应会将高导电性的碳化物核心转化为非导电性的二氧化钛（TiO₂），导致导电性不可逆降解[35]、[36]，最终传感器失去功能。其次，由于范德华力有限，原始MXene纳米片与合成织物光滑表面之间的界面粘附力较弱[37]、[38]、[39]。这种较差的界面结合会导致导电涂层在反复拉伸、弯曲或磨损等实际应用中容易开裂、剥落和分层[40]、[41]、[42]。因此，传统的MXene涂层织物传感器通常具有狭窄的应变检测范围、长期循环稳定性下降和明显的信号漂移，限制了其在人体运动监测中的可靠性和实用性[43]、[44]。简而言之，开发一种同时提高MXene抗氧化性和增强其与织物基底粘附性的新方法对于推动高性能MXene基织物传感器领域的发展至关重要。

本文报道了一种基于MXene的粘合复合涂层织物（BMAC-fabric），其在人体健身运动监测方面具有优异的应变检测性能。选择了一种功能性共聚物（HE-co-SV）作为涂层中的连续相，该共聚物由2-羟基乙基丙烯酸酯（HE）和乙烯基磺酸钠（SV）合成，能够提高MXene的抗氧化性和涂层与超弹性织物骨架之间的界面粘附强度。因此，与传统的MXene涂层织物（MX-fabric）传感器相比，我们的BMAC-fabric传感器在检测范围、最小检测限以及响应和恢复时间等方面都有显著提升，并且在手指按压、擦拭、胶带剥离、循环机械变形和长时间紫外线照射下仍能保持长期稳定性。基于这些优点，BMAC-fabric传感器能够监测人体健身活动，并通过实时监测关节弯曲和肌肉收缩提供反馈，为专业运动员的科学训练方案提供了巨大应用潜力。

章节摘录

材料

2-羟基乙基丙烯酸酯（HE）、乙烯基磺酸钠（SV）和过硫酸钾（K₂S₂O₈）由上海Macklin生化有限公司提供。超弹性织物（95%聚酯，5%氨纶）由专业定制织物印刷公司提供。无水乙醇由中国Aladdin化学有限公司提供。聚氨酯胶带购自江苏广益医用敷料有限公司。热固化导电银浆由深圳宝佳益科技有限公司提供。

MXene基复合溶液的制备

BMAC-fabric的设计策略

MXene基织物传感器的设计如图1所示。为了实现高性能和耐用的应变检测BMAC-fabric，需要解决两个关键问题：（i）涂层与纤维之间的优异界面粘附强度；（ii）提高MXene的抗氧化性。

根据上述标准，首先选用了一种含有羟基的HE单体（受蜗牛黏液粘合特性的启发）

结论

总之，成功开发了一种基于MXene的粘合复合涂层织物（BMAC-fabric）应变传感器，用于人体健身运动监测，该传感器具有优异的界面粘附性。通过引入含有羟基和磺酸基团的共聚物（HE-co-SV），该涂层与弹性织物基底形成了坚固的微纳相分离互锁界面。这一设计不仅显著改善了...

CRediT作者贡献声明

王新燕：撰写——原始草稿，数据整理。杨继贤：撰写——审阅与编辑。陈志轩：实验研究。彭玉国：数据可视化。张月：方法学设计。于学志：资金申请。曹继鹏：资金申请。马俊驰：撰写——审阅与编辑，方法学设计，资金申请，资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了辽宁大学博士科学研究基金（2024BS039）、辽宁省教育厅基础研究项目（LJ222511779003）以及辽宁省自然科学基金（2025JH2/101800277和2024JH2/102600145的支持。