四川大学柯凯副研究员、杨伟教授等ACS Nano:多功能MXene织物用于健康管理以及生物医疗

【背景介绍】

近年来，多功能柔性电子器件因其在智能显示、可持续能源、可穿戴传感器、医疗监测、人机交互、人造皮肤、软机器人等领域的潜在应用而备受关注。此外，相应的治疗用电子器件，如薄膜加热器、心脏起搏器、刺激响应型药物释放平台等，也引起了人们对各种物理治疗和化学治疗的极大兴趣。随着人们对便携性和可及性的柔性电子器件需求不断增加，迫切需要具有集成医疗监测和医疗治疗功能的可穿戴电子器件。然而，由于器件集成过程复杂，以及缺少多功能纳米材料，对这类器件的研究很少。

由柔性衬底和导电纳米材料组成的各种导电复合材料在多功能柔性电子器件制造中具有广阔的应用前景。然而由于传统塑料基材与人体皮肤存在机械不匹配以及不良的透气性，它们通常不适合用于制造针对个人健康监测和治疗应用的柔性电子器件。相反，商用织物具有固有的柔韧性、舒适性和透气性，是柔性可穿戴电子器件的潜在候选材料。然而，如何在不丧失其固有的柔性、适应性、舒适性和透气性的前提下引入多功能性仍然是一个挑战。与传统的导电金属不同，具有更好柔韧性的新型导电材料，如金属纳米线、本征导电聚合物和碳纳米填料，可通过溶液法，如浸涂法、喷涂法和丝网印刷在柔性基底上构建导电层。金属纳米线由于其良好的导电性和机械柔韧性而具有很大的应用前景，但同时也存在纳米线聚集、结点电阻高、成本高等缺点。碳纳米管和石墨烯等具有优良导电性能的碳纳米填料已成为制备柔性电子器件的重要研究方向，但其在水介质中的加工性能差，与普通柔性衬底的弱相互作用阻碍了其广泛应用。此外，这些纳米材料最常用于测量机械刺激下电阻变化的可穿戴传感器，然而它们无法将高导电性与机械耐久性耦合用于热疗应用。因此，如何同时获得可靠的力学完整性和良好的电学性能，以制备用于医疗保健和治疗的多功能智能织物仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

最近，四川大学柯凯副研究员、杨伟教授（共同通讯作者）与华西医院苏白海团队合作报道了从新型功能型纳米材料（MXene）与传统柔性织物（纤维素）复合的角度制备了一种多功能智能织物，并将其应用于保健和生物医用。作者利用MXene独特的表面化学以及纤维素表面丰富的官能团，通过MXene纳米片的强氢键作用沉积在纤维素纤维表面，制备出具有优异的导电性以及焦耳热功能的复合织物。同时，作者还利用MXene在脱/吸附水分子过程中的电阻响应，利用织物升温过程中脱水引起的电阻降低进而间接反馈焦耳热的升温效应，将其制备成的电热敷料可以实时监测温度的变化，避免了长期低温烧伤的危险。此外，作者还利用复合织物的电热效果来消除细菌感染性伤口处的耐药菌，并能促进伤口修复。作者认为，这些多种优异的性能使得此MXene基多功能复合织物有望解决下一代个性化医疗电子设备的障碍。相关成果以“Smart Ti₃C₂T_xMXene Fabric with Fast Humidity Response and Joule Heating for Healthcare and Medical Therapy Applications”发表于ACSNano上。

【图文导读】

图一、MXene织物的制备与表征

图二、MXene织物的透气性和湿度响应

图三、焦耳热性能和可穿戴热疗应用

图四、可温度预警的MXene织物用于智能热疗

图五、MXene织物伤口愈合性能的体内评估

【小结】

综上所述，作者利用MXene片与纤维素纤维之间的强相互作用，将MXene片浸涂在纤维素纤维表面，开发了一种多功能集成MXene基智能织物。作者所制备的多功能MXene织物具有高灵敏度的湿度响应、优良的焦耳加热性能、优异的热消除细菌性能以及令人满意的结构和性能可靠性，在个人保健和治疗中具有广阔的应用前景。此外，作者还展示了一种一体式可穿戴电子器件，在呼吸监测、智能热疗和伤口愈合方面显示出巨大的潜力。作者认为，这种柔性、多功能的MXene织物在未来便携式智能医疗和电治疗领域具有很高的应用潜力。

文献链接：Smart Ti3C2Tx MXene Fabric with Fast Humidity Response and Joule Heating for Healthcare and Medical Therapy Applications（ACS Nano,2020, DOI:10.1021/acsnano.0c03391）

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