四川大學柯凱副研究員、楊偉教授等ACS Nano:多功能MXene織物用于健康管理以及生物醫療
【背景介紹】
近年來，多功能柔性電子器件因其在智能顯示、可持續能源、可穿戴傳感器、醫療監測、人機交互、人造皮膚、軟機器人等領域的潛在應用而備受關注。此外，相應的治療用電子器件，如薄膜加熱器、心臟起搏器、刺激響應型藥物釋放平臺等，也引起了人們對各種物理治療和化學治療的極大興趣。隨著人們對便攜性和可及性的柔性電子器件需求不斷增加，迫切需要具有集成醫療監測和醫療治療功能的可穿戴電子器件。然而，由于器件集成過程復雜，以及缺少多功能納米材料，對這類器件的研究很少。
由柔性襯底和導電納米材料組成的各種導電復合材料在多功能柔性電子器件制造中具有廣闊的應用前景。然而由于傳統塑料基材與人體皮膚存在機械不匹配以及不良的透氣性，它們通常不適合用于制造針對個人健康監測和治療應用的柔性電子器件。相反，商用織物具有固有的柔韌性、舒適性和透氣性，是柔性可穿戴電子器件的潛在候選材料。然而，如何在不喪失其固有的柔性、適應性、舒適性和透氣性的前提下引入多功能性仍然是一個挑戰。與傳統的導電金屬不同，具有更好柔韌性的新型導電材料，如金屬納米線、本征導電聚合物和碳納米填料，可通過溶液法，如浸涂法、噴涂法和絲網印刷在柔性基底上構建導電層。金屬納米線由于其良好的導電性和機械柔韌性而具有很大的應用前景，但同時也存在納米線聚集、結點電阻高、成本高等缺點。碳納米管和石墨烯等具有優良導電性能的碳納米填料已成為制備柔性電子器件的重要研究方向，但其在水介質中的加工性能差，與普通柔性襯底的弱相互作用阻礙了其廣泛應用。此外，這些納米材料最常用于測量機械刺激下電阻變化的可穿戴傳感器，然而它們無法將高導電性與機械耐久性耦合用于熱療應用。因此，如何同時獲得可靠的力學完整性和良好的電學性能，以制備用于醫療保健和治療的多功能智能織物仍然是一個巨大的挑戰。
【成果簡介】
最近，四川大學柯凱副研究員、楊偉教授（共同通訊作者）與華西醫院蘇白海團隊合作報道了從新型功能型納米材料（MXene）與傳統柔性織物（纖維素）復合的角度制備了一種多功能智能織物，并將其應用于保健和生物醫用。作者利用MXene獨特的表面化學以及纖維素表面豐富的官能團，通過MXene納米片的強氫鍵作用沉積在纖維素纖維表面，制備出具有優異的導電性以及焦耳熱功能的復合織物。同時，作者還利用MXene在脫/吸附水分子過程中的電阻響應，利用織物升溫過程中脫水引起的電阻降低進而間接反饋焦耳熱的升溫效應，將其制備成的電熱敷料可以實時監測溫度的變化，避免了長期低溫燒傷的危險。此外，作者還利用復合織物的電熱效果來消除細菌感染性傷口處的耐藥菌，并能促進傷口修復。作者認為，這些多種優異的性能使得此MXene基多功能復合織物有望解決下一代個性化醫療電子設備的障礙。相關成果以“Smart Ti3C2Tx MXene Fabric with Fast Humidity Response and Joule Heating for Healthcare and Medical Therapy Applications”發表于ACSNano上。
【圖文導讀】
圖一、MXene織物的制備與表征
圖二、MXene織物的透氣性和濕度響應
圖三、焦耳熱性能和可穿戴熱療應用
圖四、可溫度預警的MXene織物用于智能熱療
圖五、MXene織物傷口愈合性能的體內評估
【小結】
綜上所述，作者利用MXene片與纖維素纖維之間的強相互作用，將MXene片浸涂在纖維素纖維表面，開發了一種多功能集成MXene基智能織物。作者所制備的多功能MXene織物具有高靈敏度的濕度響應、優良的焦耳加熱性能、優異的熱消除細菌性能以及令人滿意的結構和性能可靠性，在個人保健和治療中具有廣闊的應用前景。此外，作者還展示了一種一體式可穿戴電子器件，在呼吸監測、智能熱療和傷口愈合方面顯示出巨大的潛力。作者認為，這種柔性、多功能的MXene織物在未來便攜式智能醫療和電治療領域具有很高的應用潛力。
文獻鏈接：Smart Ti3C2Tx MXene Fabric with Fast Humidity Response and Joule Heating for Healthcare and Medical Therapy Applications（ACS Nano,?2020, DOI:10.1021/acsnano.0c03391）
【團隊網頁】：http://www.polymeryangscu.com/
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