导语
随着物联网技术的发展和信息化时代的到来，能够与接触物表面良好共型的柔性压力传感设备在人机交互、人体健康实时监测以及电子皮肤等领域倍受青睐。随着时代的发展，基于传统合成高分子材料如聚偏氟乙烯（PVDF）的柔性压电型压力传感器所面临的环境安全问题日渐凸显，其不可生物降解特性与复杂的制备工艺阻碍了其在可穿戴与植入式压力传感器领域的应用。为了顺应新一代压力传感器绿色、安全与可持续发展的应用需求，开发新型“绿色”的柔性压电型压力传感材料及器件迫在眉睫。作为一种具有压电性能的天然高分子材料，丝素蛋白(SF)不仅具有良好的生物相容性与生物可降解性，还具有优秀的力学性能与丰富的自然来源，因此被认为是制备可持续发展型柔性压力传感器的潜在材料。由于丝素蛋白的本征压电性能较低，检测微小应力时可靠性差，无法满足某些特殊应用场景的要求，因此其应用受到了一定程度的限制。
针对这些问题，近年来学者们广泛探索了丝素蛋白的改性方法，以期望在平衡其加工性能与力学性能的同时提升其压电性能。另外，由于良好的生物降解特性，这类材料还可以用于设计电阻型与电容型压力传感器，此类研究和应用探索也得到了广泛关注。为了促进丝素蛋白在压力传感器领域内的进一步发展与创新，四川大学高分子科学与工程学院柯凯副教授与杨伟教授团队结合课题组在柔性压力传感器领域内的研究基础，对丝素蛋白基柔性压力传感器的制备与应用进行了系统性综述，期望为再生丝素蛋白基功能材料在柔性传感器方面的设计与加工提供指导，以促进丝素蛋白基柔性压力传感器领域的进一步发展。
关键词：丝素蛋白，柔性压力传感器，压电，生物可降解，健康监测
文章要点
介绍了丝素蛋白的来源、结构与性能。
系统总结了如何通过改进加工方法来提升丝素蛋白的本征压电性能，并详细对比分析了不同加工方法的优劣。
展示了丝素蛋白基柔性压力传感器在人机交互、健康监测、电子皮肤等柔性电子领域的潜在应用。
提出了目前这一领域所面对的困难与挑战，并对其未来可能的研究方向进行了展望。
图文导读
1. 丝素蛋白的结构与性能
天然蚕丝主要由两根横截面为三角形的丝纤维组成，其中每根丝纤维又由丝素蛋白和丝心蛋白组成，丝素蛋白是决定蚕丝性能的主要成分。在丝素蛋白中，重链因其质量占比最大，因此主要影响丝素蛋白的性能。丝素蛋白重链中独特的氨基酸排布使其形成稳定的反平行β-折叠结构，多个β-折叠结构组合成丝素蛋白中的β晶区。这种独特的结构赋予了丝素蛋白优异的生物相容性、生物可降解性以及力学性能。另外具有非对称中心的丝Ⅱ晶体结构也赋予了其本征的压电性能（图1）。
图1 丝素蛋白的结构与性能：(a) 丝纤维、(b) 重链、(c) β晶、(d) 反平行β-折叠结构示意图；(e) 来源于家蚕蚕丝的丝素蛋白的典型重复氨基酸序列；(f) 丝素蛋白压电性能的产生原理
2. 丝素蛋白基压电式压力传感器的加工方法
丝素蛋白的压电性能与其内部β-折叠结构的含量与取向程度密切相关。目前，提升丝素蛋白基压电传感器的压电输出性能的策略主要分为三类：1）提升丝素蛋白的本征压电性能；2）与其他压电材料共混复合来增强压电输出电压；3）从传感器的结构设计方面入手增强应力传递效果。提升丝素蛋白的本征压电性能则需要大幅增强β-折叠的含量，以及大分子链中偶极子的定向程度，常见的方法有热拉伸、静电纺丝、溶剂后处理等。相对比较简单且直接的方法是将其与无机压电纳米粒子、压电聚合物，以及其它非压电物质复合。当然，也可以通过电极表面的微结构化设计来增强局部应力传递的效果，如对丝素蛋白基功能薄膜或电极表面进行微结构化处理。这些措施对应的加工方法则主要集中在溶液浇铸、旋涂和静电纺丝等方面，它们各有优劣，有时候甚至还需要综合应用这些方法，以实现综合性能的有效提升（图2）。
图2 静电纺丝法制备丝素蛋白基压电传感器。(a) 全纤维多功能电容式传感器的制造、传感机制和压力传感性能示意图；(b) LN/CNTs/SF纳米纤维支架的制备、机械性能和压电输出性能示意图；(c) 一种绿色自供电压力传感器（OSFM-SE）的制备示意图。丝素蛋白纤维取向和电极表面微结构对OSFM-SE压电特性的影响
3. 丝素蛋白基压力传感器的应用
近年来，随着学者们对于丝素蛋白基压力传感器研究的不断深入，其应用领域也越来越宽广。丝素蛋白基柔性压力传感器的应用与其传感机理密切相关。其中，压阻与电容型压力传感器适合于检测静态的压力信号，被广泛应用于人机交互、电子皮肤以及人体微弱生理信号与人体运动检测等领域（图3）。而基于压电型和摩擦电型的柔性压力传感器则更适宜于检测动态机械信号，并且基于这两种传感机理的柔性压力传感器均具有自供电特性，这使得由此制备的柔性压力传感器不需要额外电源，便于实现传感器的小型化、轻量化和无源化设计与集成。再加上丝素蛋白本身所具有的良好生物相容性以及可降解性，因此其既可用于体外信号的检测，又可用于生物医学领域的可植入式压力传感器，为人体生命健康监测与个性化医疗提供新方法。
图3 丝素蛋白基电阻型和电容型压力传感器的应用 (a) 聚丙烯酰胺/丝素蛋白/PEDOT:PSS/GO柔性导电水凝胶（PSGP）的结构示意图、传感性能以及PSGP柔性导电水凝胶用于检测人的面部表情；(b) 组合式电子皮肤传感器的制备过程示意图。组合式电子皮肤传感器用于检测吹气、手指压缩以及冰水；(c) RSF/ITO复合膜的制备示意图。传感器阵列对手指触摸的检测结果。传感器阵列的结构示意图以及阵列对触摸和轻扫事件的检测信号；(d) 数字间电容式压力传感器的制备过程、传感器电路，以及最终组装好的压力传感器示意图。用手指触摸传感器来控制LED灯的开关；(e) 一种全纤维的可穿戴多功能传感器（AFMS）作为智能口罩，用于监测呼吸；作为智能手套，用于识别手指关节的弯曲角度
总结与未来展望
1. 进一步提高压电性能
目前的研究结果表明，虽然通过一系列后处理策略能够提升丝素蛋白的压电性能，但其仍然远低于其他压电材料，这限制了丝素蛋白基压电传感器的应用。因此，扩大压电蚕丝纤维素的应用范围，使其具有令人满意的综合力学性能和压电输出性能是非常重要的。在考虑通过共混提高丝素蛋白压电性能的同时，也应该选取本身具有生物相容性和生物可降解性的材料组分进行共混复合，从而避免牺牲丝素蛋白自身的生物相容性与生物可降解性。或者可以借助机器学习指导下的压电性能优化处理方法，通过控制丝素蛋白的聚集态结构从而提高丝素蛋白的内在压电性，这一点对于生物蛋白类压电材料的结构设计与加工尤为重要。
2. 可植入型传感装置的制备和信号稳定性调控
基于丝素蛋白的植入式压力传感器在进行组织活动监测应用时，仍需努力提高其信号的稳定性和可重复性。目前报道的可植入式压力传感器无法做到完全植入体内，它们通常通过导线与外界连接从而进行信息传递，这无法满足植入式压力传感设备的需求。因此，考虑整个传感装置完全植入的可能性、探索体内无线信号的稳定性采集与传输，对于未来植入式压力传感装置的发展与创新至关重要，同时这也是实现完全植入式压力传感装置在日常生活中的广泛应用不可或缺的一步。
3. 传感器降解速率的控制
若要实现基于丝素蛋白的压力传感器的稳定使用和一定周期后的自动生物降解，整个设备的降解速率应控制在一定的范围之内，这也是实现体外和体内传感使用的前提条件，尤其是对于后者。此外，用于制造再生丝素蛋白基柔性压力传感器的其他功能材料也需要能实现可控降解，且其降解速率需要与再生丝素蛋白的降解速率匹配并能控制在合适的范围内，但是这对此类柔性压力传感器的设计和实际应用仍是挑战。通过特定的加工方法实现对传感装置降解时间的精准控制，对于实现丝素蛋白基可降解压力传感器的低成本和产业化加工制备至关重要。
4. 传感器的封装
由于丝素蛋白对周围环境的湿度很敏感，并且它的压电系数很低，因此在信号通信过程中，应着重考虑传感器信噪比，以便推进此类传感器的实际应用。一个较为简单的思路是使用生物可吸收/生物可降解材料对该类装置进行封装，在尽量不影响传感器传感性能的前提下保持良好的封装效果，从而保证传感器的稳定使用。
本研究得到了中国国家自然科学基金（NNSFC grants 52125301 and 52373269）和四川大学高分子材料工程国家重点实验室（Grant No.: sklpme2022-3-06）的资助。
作者简介
第一作者：
陈慕涵
四川大学硕士研究生。2023年获四川大学工学学士学位，目前于四川大学高分子材料与工程学院攻读工学硕士学位。个人研究方向是丝素蛋白的改性加工及基于再生丝素蛋白的压电式压力传感器的制备与应用。
通讯作者：
柯凯
四川大学副教授，四川大学高分子材料工程国家重点实验室固定成员，四川省海内外引进人才专家，博士生导师。2016年于德国德累斯顿工业大学获得博士学位。2016年-2019年先后在美国康涅狄格大学和凯斯西部储备大学从事博士后研究工作。2019年加入四川大学高分子科学与工程学院高分子材料加工系。个人主要研究方向为高分子纳米复合材料的设计与加工、高分子导电复合材料的加工与传感应用、高分子压电材料的加工与生物应用。近五年以通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy、Materials Horizons、Small、Biomaterials、Macromolecules、Carbon 等期刊发表论文40余篇，其中两篇论文入选ESI高被引论文。谷歌学术引用4950次，H-index 40。
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，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。
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