研究背景

可穿戴技术的快速发展极大地推动了柔性和可拉伸电子设备在机械适应性方面的提升，这类具有类肤特性的电子系统为生物传感与电刺激技术提供了强大的交互平台，特别是在健康监测、人机界面和机器人假肢等方面具有重要意义。液态金属因其出色的导电性、生物相容性和低蒸汽压，是一种极具前景的导电材料。研究人员已经通过多种制造技术成功制备了液态金属复合材料。然而，传统基于液态金属的导电材料通常缺乏足够的透气性，导致汗液排导不畅，严重影响长期穿戴舒适度。同时，液态金属材料复杂的制造工艺与回收困难，也制约了其在表皮电子器件中的实际应用。未来的研究应在确保器件电气性能稳定的前提下，同时提升柔性电子器件的透气性，以实现可持续的健康监测，并推动器件的集成化和一体化发展。

文章亮点

本文报道了一种具有高弹性和良好透气性的液态金属-铁纤维垫导体。通过将液态金属与铁粉的混合物涂覆到纤维垫上，所得到的导体展示了显著的性能，如卓越的拉伸性(1130%的应变)、优异的透气性(792.71 g m-2 day−1)、高电导率(12105 S cm−1)以及良好的电学-机械稳定性(100%应变下，5000次循环)。特别地，液态金属和铁粉可以实现完全回收。为了突出其在早期疾病检测和治疗中的潜在应用，作者还展示了该导体在长期、连续且高保真度的生理电监测中的应用。

文章解读

LMiron/PU-SDS 的制造工艺如图 1 所示，主要包括三个简单步骤：(1) 对 PU-SDS 纤维毡进行静电纺丝，(2) 用 LMiron涂覆纤维毡，以及 (3) 通过预拉伸激活液态金属渗透性。PU-SDS 纤维毡作为基材，LM铁作为导体填料。所制备的LMiron/PU-SDS 的 WVTR 达到 792.71 g m-2 day−1，显著优于商业凝胶(390.59 g m-2 day−1)和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)(68.43 g m-2 day−1)，满足了人体无感性出汗的需求。同时，LMiron/PU-SDS 可以被图案化为叉指电极，并连接到手指等曲面上。此外，LMiron/PU-SDS中的 PU 容易溶解于有机溶剂(如 THF 和 DMF)中，通过离心分离可以从 LM 和铁粉中除去有机溶剂，实现进一步回收，进而促进废弃 LMiron/PU-SDS 的可回收与再利用。

图1：用于生理电监测的高弹性、透气性LMiron纤维垫导体。

为人体设计的电子设备应具备良好的柔性，能够以拉伸或变形的方式适应复杂弯曲形状或者界面，从而与身体运动相匹配。LMiron/PU-SDS的拉伸强度明显高于单独的 PU-SDS，其最高应变拉伸率可达 1038%，而 PU-SDS 仅为 371%。当 LM铁的质量负载从 10 mg cm-2 增加到 30 mg cm-2 时，LMiron/PU-SDS 的薄层电阻从 47 mΩ sq-1 降至 16.67 mΩ sq-1 。LMiron/PU-SDS 显示出良好的循环拉伸稳定性。在100 %的应变条件下，电阻变化仅为 0.5%，几乎可以忽略不计。而且经过 5000 次拉伸/释放循环后，其电阻相较于初始值也仅增加了 1.03 %。

图 2. LMiron/PU-SDS 的机械性能、电气性能和稳定性。

评估皮肤界面阻抗对于生物电的无创监测至关重要。许多电生理信号包含低频范围内的重要信息，例如 ECG 信号的基线偏移。低频带宽对于准确捕获电生理信号的低频成分至关重要，这些信号可用于诊断或研究目的。与传统的商用凝胶电极相比，LMiron/PU-SDS 电极在较宽的频率范围内表现出较低的皮肤界面阻抗。特别是在低频范围 (< 100 Hz) 内，LMiron/PU-SDS 电极具有卓越的导电性，能够与皮肤形成更稳定的低阻抗界面，优于市售凝胶电极。该研究通过使用两个LMiron/PU-SDS 电极成功实现了实时高质量的心电图信号和肌电图信号采集。另外，生物相容性对于可穿戴设备和皮肤应用至关重要。为了评估这一点，我们进行了皮肤测试，重点考察了渗透性对长期佩戴的影响。结果显示，这种创新电极设计展现了出色的生物相容性和信号稳定性，适用于长期的电生理监测。

图 3.LMiron/PU-SDS 的皮肤接触阻抗、心电图和肌电图监测和生物相容性。

持续的无线心电图监测对于心血管疾病的早期发现至关重要，有助于及时干预和有效管理。在这项研究中，将两个 LMiron/PU-SDS电极放置在受试者的胸部，并通过蓝牙连接到便携式无线模块，实现了实时心电图信号的收集。图中展示了在受试者进行各种常规活动(例如个人计算机工作、实验室实验、步行和休息)时，记录的连续心电图信号，活动时长为60分钟。此外，还分析了不同活动期间的平均心率和心率功率谱密度。总体而言，该电极在捕获高保真心电图信号方面表现优异，证明其在心脏疾病早期诊断中的潜力。

图 4.通过 LMiron/PU-SDS 进行长期、连续、高保真心电图监测。

读后感

本文设计了一种创新的可拉伸导体，该导体可以通过将LMiron混合物涂覆或打印在弹性电纺纤维垫上轻松制造，并具备高导电性、优异的生物相容性、出色的透气性和卓越的可回收性。该电极展示了其在高保真电生理监测中的应用能力，验证了其在生物电子学、早期疾病检测、治疗干预以及可持续电子设计等多个领域的潜力。展望未来，该电极有望在推动可穿戴健康监测技术和生物电子设备的发展中发挥重要作用。

作者简介

王燕教授于2021年11月加入以色列理工学院中国校区，广东以色列理工学院GTIIT(Guangdong Technion)，化学工程系，任副教授，独立pi, 博士生导师。她于2018年博士毕业于澳大利亚蒙纳士大学，于2021年在日本东京大学电子电工系完成博士后研究。王燕博士在柔性电子相关领域顶尖学术刊物，如Science、Nature Electronics、Science Advances、PNAS、Chemical Society Reviews、Advanced Materials等发表论文50+篇，H因子为31，ESI高被引论文4篇; 授权澳大利亚专利1项、申请美国专利3项、日本专利转化1项；荣获广东省珠江青年学者称号、Nanoscale 2023 Emerging Investigators，2018国家优秀自费留学生奖学金(每年全球500人)等奖项。相关研究成果被CNN、Science、澳大利亚主流媒体如Herald Sun和日本日刊工业新闻等知名媒体亮点报道。在广东以色列理工学院，王燕课题组的主要研究方向为柔性材料设计和柔性可穿戴电子开发，以期实现其在个人健康医疗和物联网等方面的实际应用。

基金支持

本项研究得到了国家自然科学基金(项目编号：52303371)、广东省科技厅(项目编号：2021B0301030005、STKJ2023075、2022A1515110209)、广东省教育厅(项目编号：2022KQNCX112)、广东以色列理工学院常州研究院种子基金(GCII-Seed-202406)、以色列理工学院、以及广东以色列理工学院启动基金的支持。

文献链接

J. Yang, Q. Sun, Z. Wang, Y. Xu, Y. Wang, W. Yan, P. Zhou, Z. Ji, H. Jiang, S. Chen, W. Zhang, H. Haick, Y. Wang Highly elastic, permeable liquid metal–iron fibre mat conductor for electrophysiological monitoring. Wearable Electronics 2 55-61(2025)

https://doi.org/10.1016/j.wees.2024.12.006

期刊简介

Wearable Electronics是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料(基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等)、功能器件(传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等)以及与之相关的先进制造技术及理论研究(建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等)，致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。