周赟磊團隊NC：可拉伸電子纖維集成制造，解鎖多模態傳感新可能

在柔性生物電子器件領域，一維（1D）結構因能與柔軟生物組織共形貼合、實現高效電荷傳輸，成為穿戴醫療、微創診療的研究熱點。液態金屬雖憑借高拉伸性、導電性和生物相容性成為理想導電材料，卻因高表面張力、生理環境下易降解的短板，難以規模化制備和實際應用。

近日，西安電子科技大學杭州研究院周赟磊團隊聯合華中科技大學黃永安教授團隊提出全新溶液沉積制備策略，成功研發出兼具可擴展性、高導電性和電化學穩定性的可拉伸 1D 液態金屬生物電子纖維，破解了傳統液態金屬器件的核心難題。

這項研究成果以《Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation》為題發表在Nature Communications。團隊圍繞液態金屬纖維的制備、性能優化和生物醫學應用展開系統研究，制得的器件在電生理監測、在體神經刺激、無線能量傳輸等場景中表現優異，為下一代生物電子器件發展奠定了重要基礎。研究團隊首先直面傳統液態金屬 1D 器件的兩大核心痛點：一是高表面張力導致其難以與彈性聚合物均勻結合，現有注塑、熱拉制方法還存在纖維尺寸受限（最小直徑 250μm）的問題；二是液態金屬在生理液中易與水、陰離子反應，無法直接與生物組織界面接觸，長期植入穩定性差。為攻克這些問題，團隊開發了逐層化學溶液沉積制備策略，實現了液態金屬在超細可拉伸纖維表面的均勻粘附，突破了現有制備方法的尺寸限制，制得的纖維直徑可小至 50-100μm。

該制備工藝以聚氨酯（PU）纖維為柔性芯層，先通過多巴胺自聚形成聚多巴胺（PDA）層，為銀納米顆粒（AgNP）沉積提供活性位點，再通過化學沉積形成銅（Cu）層；利用銅與液態金屬在稀鹽酸中的合金化反應，實現液態金屬在纖維表面的穩定結合，形成連續高導電通路。為解決液態金屬電化學活性過高的問題，團隊創新性引入惰性碳納米管 / 聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（CNT/PEDOT:PSS）電極層，構建出液態金屬 - 惰性材料雙層電極結構，既保留了液態金屬的高導電性，又實現了復雜生理環境下的穩定傳感。同時，團隊通過 SEBS 彈性體等材料的分段封裝，賦予纖維優異的防水性、抗腐蝕性和機械韌性，使其在生理液中能長期保持電學性能穩定。

材料表征結果證實了該制備策略的優越性：銅涂層將液態金屬在 PU 表面的接觸角從 119.7° 降至 36.5°，大幅提升潤濕性，保障了合金化反應的均勻性；經合金化反應后，纖維電導率從銅涂層的 0.1133 S cm?1 躍升至 39623 S cm?1，提升超 35 萬倍；封裝后的纖維可實現 250% 的超高拉伸率，100% 拉伸時電阻僅增加 2 倍，200% 拉伸時增加 9 倍，且經反復拉伸、彎曲循環后無涂層開裂、分層現象。此外，電化學沉積的 PEDOT:PSS 層使電極阻抗降低兩個數量級，電化學穩定窗口達 - 1.85~2.15 V，經 1000 次 30% 拉伸循環后阻抗無明顯變化，為高保真生物信號檢測奠定了基礎。

基于優異的結構和性能，這款 1D 生物電子纖維展現出多場景適配的多功能性，首先在柔性電子紡織品集成中表現亮眼。研究團隊通過可編程刺繡技術，將液態金屬纖維織入織物制備射頻天線，實現無線能量傳輸。該電子紡織品兼具柔韌性、防水性和機械穩定性，彎曲、扭轉、錘擊下電阻保持恒定，水下仍能穩定為 LED 供電；其電感品質因子與傳統銅線相當，高頻段性能更優，經 300 次彎曲循環后電阻變化小于 10%，而銅線僅 100 次循環即斷裂，完美適配穿戴式設備的動態使用需求。

在電生理監測應用中，該纖維器件展現出遠超傳統凝膠電極的性能。將其貼附于人體皮膚，通過預拉伸實現與皮膚的緊密接觸，同時保留良好的透氣性，避免了傳統電極因汗液積累導致的皮膚刺激和信號漂移。在心電圖（ECG）和肌電圖（EMG）檢測中，纖維電極能清晰捕捉 P 波、QRS 波群等 ECG 特征，運動狀態下幾乎無運動偽影，干濕環境下均保持高信噪比；多通道 EMG 檢測可精準記錄不同手部動作的肌肉電信號，結合機器學習算法，手勢識別準確率高達 99.5%，為運動監測、人機交互等領域提供了新方案。

研究團隊還通過大鼠坐骨神經在體刺激實驗，驗證了器件的生物相容性和精準刺激能力。超薄、可拉伸的纖維電極可直接纏繞于坐骨神經表面，形成穩定的電接觸界面，施加電刺激后能精準調控大鼠后肢肌肉收縮。實驗結果顯示，低頻率（1-10Hz）刺激下成功率接近 100%，200mV 以上電壓即可實現穩定的神經激活，且經 PBS 溶液浸泡 2 天后，刺激性能無明顯衰減。細胞相容性實驗證實，纖維器件對 HEK293T 細胞的細胞活力無顯著影響，PEDOT:PSS 修飾進一步降低了碳納米管電極的細胞毒性，滿足長期生物醫學植入的要求。

綜上，該研究開發的溶液沉積制備策略，實現了可拉伸 1D 液態金屬生物電子纖維的規模化、低成本制備，通過結構設計和性能優化，解決了傳統液態金屬器件的粘附性、穩定性和界面適配性問題。這款纖維器件集高導電性、優異機械韌性、電化學穩定性和良好生物相容性于一體，不僅能實現高保真的電生理信號監測、精準的在體神經刺激，還能與紡織品無縫集成實現無線能量傳輸，為穿戴式生物電子設備、微創診療器械、腦機接口等領域的發展提供了全新的平臺型技術，也為一維柔性生物電子器件的設計與制備提供了重要的參考思路。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70178-