导语
生物柔性电子学因其在预防医学和早期疾病检测中的潜力而受到广泛关注。日常生活中常见的微纤维纺织品，凭借其集成的传感能力，成为新兴的平台。微流控技术被视为开发柔性导电微纤维的有效途径，已经取得显著进展。本文综述了基于微流控平台制造的微纤维柔性电子学的最新进展，首先介绍了微流控法制备不同结构和形态导电微纤维的基本方法，随后探讨了这些微纤维在生物电子学中的多种应用，最后展望了基于微流控的微纤维在柔性生物电子学领域面临的未来挑战。
关键词：微流控，微纤维，柔性电子
Science Technology
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文章要点
介绍了利用微流控技术制备各种微纤维的方法，强调了这一技术在控制微结构和功能方面的创新与突破。
总结了基于微流控技术制备的微纤维在多个领域的应用，特别是在可穿戴超级电容器、自供电传感器、运动和健康监测及智能缝合线等应用场景中的潜力。
总结并展望了微流控技术结合柔性材料的未来应用前景，包括智能纺织品、精准医疗和人机交互设备，同时指出当前面临的挑战和未来的发展方向。
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基于维纤维的柔性生物电子应用
微纤维作为织物的基本单元，在可穿戴智能纺织品中发挥着至关重要的作用，因为它们使得传感和治疗功能的集成成为可能。传统上，这些纤维常通过电纺丝、湿法纺丝、熔融纺丝等方法制备。这些技术可以根据不同的应用需求，生产具有特定功能的纤维。然而，这些方法具有一定的的局限性。近年来，微流控技术作为一种新兴的平台，受到广泛关注用于纤维材料的制造。这项先进的技术能够在微通道内精确控制液体流动，从而创建高度定制的纤维材料，具备特定的功能和多样的微结构设计。因此，微流控技术被认为能够极大地提升智能纺织品的能力并拓宽其应用范围。
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基于微流控技术制备微纤维
微纤维作为一种典型的一维材料，因其大比表面积、多样的机械特性和灵活的结构配置而备受关注。近年来，微流控技术已成为制造不同结构、可控成分纤维的新兴方法。该技术精确控制微通道内的小体积流体，为液滴、颗粒、微胶囊和纤维等功能性材料的制造提供了理想平台。在微流控纺丝过程中，最简单的方式是将一种流体直接注入另一种流体，通过引入聚合物前驱体流体，利用交联或相分离等方法促进纤维的固化。共流微流控系统能够轻松生成具有可调大小和形态的连续微纤维，例如，利用同轴毛细管可以调节流径，或设计不同形状的注射通道以实现所需图案，从而生产核-壳结构和中空纤维。此外，微流控技术还可利用绳圈效应制备螺旋纤维，并引入压电扰动实现动态控制，制造具有轴向各向异性结构的弯曲形状纤维。这些基于微流控的微纤维在多个领域找到了重要应用，功能性材料的封装或掺杂也进一步提升了其电学性能，使其在生物电子学中发挥了关键作用。
图1 几种典型的基于微流控制备的微纤维结构。
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基于微纤维的柔性电子应用
由于微流控技术制备的微纤维具备多功能性和精细的结构设计，同时纤维本身具有灵活性、小型化的特点，并且易于与其他材料集成，这种新型电子形式在多个传统电子领域展现出巨大的应用潜力。具体而言，以下是纤维基柔性电子产品的几个主要应用领域：
可穿戴超级电容器
在便携式电子设备快速发展的市场中，柔性能源存储设备的需求日益增长。纤维超级电容器以其长寿命、高功率密度、快速充放电率和轻便灵活的特点，成为主要选择。研究显示，氮掺杂的石墨烯纤维和碳纳米管微纤维可以稳定地为音频设备、LED和手表等电子设备提供能量。此外，结合太阳能电池的可穿戴自供电设备能够将太阳能转化为电能，存储于超级电容器中，从而为各种电子设备提供稳定的电源。
图2 基于微纤维的可穿戴超级电容器。
自供电传感器
自供电传感器能够自主发电，广泛应用于机器人和可穿戴健康监测设备。摩擦电纳发电机（TENGs）是一种新兴解决方案，通过摩擦电和静电感应生成能量。这些基于纤维的传感器运用单电极模式，能够准确检测材料的运动及其极性，展现出良好的应用前景。
运动和健康监测
运动和健康监测能够记录皮肤或皮下的生理状态，如应变、压力和温度。通过大数据处理，可以实现对身体运动和健康状态的实时监控。例如，使用聚合物和导电纤维制备的传感器可以高灵敏度地检测人类运动，并与3D打印技术结合，扩展传感器的功能至多种关节部位。
图3 基于微纤维的运动和健康监测。
智能缝合线
智能缝合线集成了微传感器和柔性电子设备，能够实时监测伤口或组织状态。例如，电子缝合线不仅可以监测缝合部位的应变，还能在需要时通过热释电实现药物释放。同时，具有双向操作功能的空心智能缝合线在缝合后能够监测实时信号并进行药物输送，展示出在多种医疗应用中的潜力。
图4 基于微纤维的缝合线。
这些应用展示了基于微流控的微纤维在电子和生物医学领域的广阔前景，充分利用其独特的物理和化学特性，推动了技术的发展与创新。
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总结与展望
本综述概述了基于微流控的微纤维在柔性生物电子学中的研究进展，重点强调其在生物医学工程中的制造与应用。微流控技术为开发可穿戴超级电容器、自供电传感器、运动监测器和智能缝合线等提供了精确的流体控制，推动了相关技术的发展。然而，电子纺织品在抗拉强度和电导率方面的平衡、材料的生物相容性和安全性、大规模生产的实现以及新型纤维结构的应用仍然面临重要挑战。展望未来，具有多功能和独特结构的电子纺织品不仅将满足日常需求，还将在健康诊断和人机交互等新兴领域中发挥重要作用。我们相信，随着研究的不断推进，基于微流控技术的微纤维材料将在生物电子学中继续发挥关键作用。
作者简介
杨超宇，现任香港中文大学机械与自动化系研究助理教授。2015年获得中国科学技术大学测控技术与仪器学士学位， 2020年获得仪器科学与技术博士学位。同年，进入中国科学院大学温州研究院进行博士后研究，从事微纳尺度流动和仿生界面材料的基础科学问题及关键核心技术的研究。2023年加入张立教授的研究团队，主要致力于基于微流控平台开发微型机器人的研究。他已承担包括博士后基金和国家自然科学基金青年项目在内的4项研究课题，并在Nat. Chem. Eng., PNAS, Small, Lab Chip, Research, Phys. Fluids, Appl. Phys. Lett., Chem. Eng. J.等专业期刊发表了研究成果。此外，他共申请了10余项专利，已有5项获得授权。
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，2022-2024年免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。获得首个影响因子12.0，在全球材料综合类438本期刊中排名第41，位列Q1区。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
自有出版平台：
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