一、研究背景

1. 可穿戴傳感器可連續(xù)監(jiān)測生理參數(shù)、識別健康基線偏差，在個性化健康管理和疾病診斷中潛力顯著；呼吸類疾病加速了智能口罩在普通人群中的應(yīng)用，尤其推動呼吸健康監(jiān)測需求。

2. 電子紡織品（e-textiles）需平衡核心性能：傳感應(yīng)用需高靈敏度、快響應(yīng)速度和可靠性，能量收集/無線通信應(yīng)用需高導(dǎo)電性；現(xiàn)有MXene基墨水存在挑戰(zhàn)：

• 織物多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致墨水印刷不連續(xù)、附著力弱、印刷表面易破損，難以實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性與精細(xì)線路
• 純MXene薄片層間結(jié)合弱、結(jié)構(gòu)缺陷多，機(jī)械強(qiáng)度差
• 現(xiàn)有傳感器難以平衡機(jī)械柔性與電性能，且多依賴傳統(tǒng)制造（如旋涂、絲網(wǎng)印刷），存在化學(xué)浪費(fèi)、可重復(fù)性差等問題
• 尚未實(shí)現(xiàn)MXene基墨水在織物上3D打印無線器件（如NFC天線）與傳感器的報(bào)道

3. 關(guān)鍵材料優(yōu)勢：

• MXene（Ti?C?T?）：金屬導(dǎo)電性、豐富官能團(tuán)（-OH、=O）、可在水等無毒溶劑中分散，兼容多種制造工藝
• 水性聚氨酯（WPU）：環(huán)保無毒、低粘度、附著力強(qiáng)、柔性好，可作為粘結(jié)劑提升納米材料集成度與機(jī)械性能
• 仿珍珠層（nacre-mimetic）結(jié)構(gòu)：通過層級有序設(shè)計(jì)，可賦予復(fù)合材料優(yōu)異機(jī)械性能，適用于仿生電子器件

二、研究內(nèi)容

2.1 MXene/WPU墨水制備與性能優(yōu)化

1. 墨水配方：將Ti?C?T?薄片分散于去離子水中（濃度200 mg/mL，20 wt.%），與不同濃度WPU混合（2000 rpm攪拌5分鐘），最終選擇10 wt.% WPU為最優(yōu)配方。

2. 界面作用機(jī)制：WPU與MXene表面官能團(tuán)（-OH）形成動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)（圖1b），實(shí)現(xiàn)三大作用：

• 消除層間空隙（SEM截面圖證實(shí)，圖2d）
• 保留導(dǎo)電通路
• 提升機(jī)械韌性（較純MXene提升12倍）

3. 核心性能（10 wt.% WPU配方）：

• 機(jī)械強(qiáng)度：拉伸強(qiáng)度達(dá)~120 MPa（純MXene僅32 MPa，提升275%）
• 導(dǎo)電性：面電阻~1.8 Ω·cm?2（WPU過量會破壞導(dǎo)電通路，如20 wt.% WPU時電阻升至9 Ω·cm?2）
• 生物相容性：人皮膚成纖維細(xì)胞（HDF）存活率>94%（MTT實(shí)驗(yàn)與熒光染色證實(shí)，圖6d/e）
• MXene薄片尺寸：0.2-1.5 μm（橫向），~2.4 nm（厚度，AFM測試，圖2b）

圖1：MXene/WPU墨水制備與仿珍珠層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a) Ti?C?T?/WPU墨水制備及在織物上3D打印NFC線圈的示意圖；
b) Ti?C?T?/WPU仿珍珠層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：內(nèi)部不同氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)賦予優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度與織物印刷性

圖2：MXene/WPU墨水與薄膜表征

a) 制備的MXene/WPU墨水照片；
b) Ti?C?T?薄片的AFM尺寸分析；
c) 模具澆鑄的MXene/WPU薄膜；
d) 不同WPU濃度（0/10/15/20 wt.%）MXene薄膜的SEM截面圖（比例尺80 μm）；
e) 不同WPU濃度薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（機(jī)械性能）；
f) 不同WPU濃度薄膜的面電阻（誤差棒為n=3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差）

2.2 DIW墨水直寫3D打印工藝與可印刷性驗(yàn)證

1. 3D打印參數(shù)：采用商用噴嘴（直徑150-350 μm），印刷壓力0.5 bar，加熱臺溫度45 ℃，真空干燥12小時（45 ℃）。

2. 流變特性（圖3b/c）：

• 剪切變稀行為：高剪切速率下粘度降低，滿足窄噴嘴擠出需求
• 粘彈性：儲能模量（G'）高，呈固體狀；超過臨界振蕩應(yīng)力（10 Pa）后轉(zhuǎn)為液體狀（G'' > G'），確保印刷后無擴(kuò)散

3. 3D打印效果（圖3a/d-g）：

• 圖案精度：可印刷UCL、WIESS標(biāo)志（圖3a），1 cm線路印刷1-20次后，厚度從10 μm增至250 μm，面電阻從120 Ω降至8 Ω
• 織物兼容性：選擇231 g/yd2機(jī)織棉布（纖維素-OH基團(tuán)增強(qiáng)墨水附著力），印刷后墨水完全包裹纖維，形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（SEM圖3g-i）

圖3：MXene/WPU墨水在織物上的可印刷性

a) 10 wt.% WPU墨水3D打印的UCL和WIESS標(biāo)志，可通過10 V電源點(diǎn)亮LED；
b) 墨水粘度隨剪切速率變化曲線；
c) 儲能模量（G'）與損耗模量（G''）隨振蕩應(yīng)力變化曲線；
d) 1-20次3D打印的1 cm線路照片；
e) 不同3D打印次數(shù)線路的電阻變化；
f) 不同3D打印次數(shù)線路的寬度與厚度變化（誤差棒為n=3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差）；
g-i) 1次、5次、20次印刷的SEM圖及局部放大圖（比例尺：上圖200 μm，下圖20 μm）

2.3 織物集成器件制備與性能

（1）NFC天線與無線溫度監(jiān)測

1. 天線設(shè)計(jì)：3D打印線圈直徑4.9 cm，線寬0.07 mm，6匝（間距0.09 cm），電感~2.5 μH（圖4a）。

2. 無線功能：嵌入商用溫度傳感器（NHS3100，NXP），通過NFC-enabled智能手機(jī) harvesting電磁能（無需電池），監(jiān)測距離~1 cm，共振頻率13.56 MHz（圖4d）。

3. 性能驗(yàn)證：

• 柔性：可彎曲至120°（模擬口罩佩戴），200次彎曲后電阻僅增加~10%（圖S6）
• 溫度監(jiān)測：成功捕捉人體休息/跑步時的體溫變化（跑步時體溫升高≈1 ℃，圖4e）
• 長期穩(wěn)定性：室溫（22 ℃）、40%濕度下儲存160天，前50天電阻增加40%，后保持穩(wěn)定（MXene氧化被WPU抑制，圖4f）

圖4：織物集成MXene/WPU NFC天線

a) 織物上3D打印的NFC線圈；
b) 線圈柔性與可彎曲性展示；
c) 基于ARM微處理器的信號采集方案（集成NFC天線與溫度傳感器）；
d) NFC天線的頻率-強(qiáng)度特性（13.56 MHz共振）；
e) 人體休息/跑步狀態(tài)下的體溫監(jiān)測結(jié)果（誤差棒為n=3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差）；
f) NFC線圈長期儲存穩(wěn)定性（室溫22 ℃、濕度40%，誤差棒為n=3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差）

（2）織物集成MXene/WPU濕度傳感器

1. 傳感器設(shè)計(jì)：在Coolmax織物（快速吸濕排汗）上印刷叉指電極（尺寸1.6×2 cm2，間距1.2 mm），織物預(yù)先浸涂低濃度MXene溶液（5 mg/mL）以提升靈敏度（圖5b/c）。

2. 傳感機(jī)制（圖5d）：濕度升高時，MXene層間吸附水分子，層間距擴(kuò)大→電子傳輸減少→電阻增加；濕度降低時層間距收縮→電阻恢復(fù)。

3. 核心性能：

• 靈敏度：40-80% RH區(qū)間靈敏度~2.7，80-100% RH區(qū)間升至~7.6（提升2.8倍，圖5e）
• 響應(yīng)速度：<1 秒（圖5g）
• 穩(wěn)定性：45-55% RH循環(huán)測試中，電阻變化穩(wěn)定可重復(fù)（圖5f）

圖5：織物集成MXene/WPU濕度傳感器

a) NFC天線與濕度傳感器集成于口罩的呼吸監(jiān)測示意圖；
b) 印刷濕度傳感器的尺寸圖；
c) 印刷結(jié)構(gòu)的SEM圖（比例尺200 μm）；
d) 傳感機(jī)制：濕度升高時MXene薄片層間距擴(kuò)大；
e) 傳感器在40-100% RH區(qū)間的電阻變化（靈敏度曲線，誤差棒為n=3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差）；
f) 45-55% RH循環(huán)下的電阻時間曲線（呼吸監(jiān)測場景）；
g) 濕度45%-55%變化時的響應(yīng)時間（~1秒）

2.4 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助呼吸模式識別

1. 數(shù)據(jù)采集：將濕度傳感器與NFC天線集成于口罩，采集5種呼吸模式的時間序列數(shù)據(jù)：

• 正常呼吸（NB，周期3 s）、快速呼吸（RB，周期0.5 s）、深呼吸（DB，周期6 s）、呼吸練習(xí)（BE，快吸長呼）、咳嗽（Cg）

2. CNN模型設(shè)計(jì)（圖6b）：輸入10秒濕度數(shù)據(jù)→FFT轉(zhuǎn)換至頻域→卷積/池化層提取特征→全連接層分類，基于PyTorch框架訓(xùn)練（100輪，NVIDIA Quadro P5000 GPU）。

3. 模型性能：

• 分類準(zhǔn)確率：平均~94%（精度94.3%、召回率94.9%、F1分?jǐn)?shù)94.1%，圖6b）
• 抗噪性：高斯噪聲方差5/10/15時，準(zhǔn)確率仍保持90.5%/89.3%/85.3%（圖6c）
• 實(shí)時性： latency <50 ms，可捕捉咳嗽等瞬態(tài)信號（靜態(tài)閾值法易遺漏）

圖6：呼吸模式識別與生物相容性驗(yàn)證

a) 傳感器對5種呼吸模式的電阻響應(yīng)曲線（正常呼吸、快速呼吸、咳嗽、深呼吸、呼吸練習(xí)）；
b) 基于CNN的信號分類網(wǎng)絡(luò)示意圖；
c) 不同噪聲方差下的CNN分類準(zhǔn)確率；
d) MTT實(shí)驗(yàn)的HDF細(xì)胞存活率（誤差棒為n=6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差，ANOVA分析p>0.05，與對照組無顯著差異）；
e) HDF細(xì)胞熒光染色圖（對照組與24/48/72小時傳感器提取物處理組，比例尺500 μm；綠色為活細(xì)胞，紅色為死細(xì)胞）

三、研究結(jié)論

• 1. 成功開發(fā)MXene/WPU納米復(fù)合墨水，通過氫鍵作用實(shí)現(xiàn)仿珍珠層結(jié)構(gòu)，平衡機(jī)械強(qiáng)度（120 MPa）與導(dǎo)電性（1.8 Ω·cm?2），且生物相容性優(yōu)異（細(xì)胞存活率>94%）。
• 2. 實(shí)現(xiàn)MXene/WPU墨水在織物上的直寫3D打印，制備出高性能器件：
  • NFC天線：無需電池，可無線監(jiān)測體溫，200次彎曲后性能穩(wěn)定
  • 濕度傳感器：響應(yīng)速度<1秒，高濕度區(qū)間（80-100% RH）靈敏度達(dá)7.6
• 3. 結(jié)合CNN機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)5種呼吸模式的識別（準(zhǔn)確率~94%），抗噪性強(qiáng)，可用于實(shí)時呼吸健康監(jiān)測（如哮喘、肺炎等疾病預(yù)警）。
• 4. 該技術(shù)為規(guī)?；圃旄咝阅堋⒍喙δ茈娮蛹徔椘诽峁┓桨?，適用于無線醫(yī)療、運(yùn)動監(jiān)測等領(lǐng)域。

四、論文信息