DOI: 10.1016/j.pmatsci.2023.101139

在过去的二十年里，柔性电子器件因其独特的特性和在电子皮肤、人机界面、柔性显示器、可穿戴传感器、便携式能源设备和植入式设备中的众多潜在应用而备受关注。电纺纤维具有优异的机械性能和量身定制的物理化学特性，在制造新兴的柔性电子产品方面前景巨大。本文对基于电纺纤维的柔性电子器件进行了全面综述，从电纺技术的介绍、电纺纤维的多样性、电纺纤维电子器件的集成策略到各种传感平台，包括电极、电阻、电容、压电/摩擦电、电化学和晶体管类型。这些基于电纺纤维的传感设备可以集成多种传感模式、无线通信、自供电和热管理功能，并且受益于电纺纤维的优点，如柔性、坚固性、高孔隙率、多样化的纤维形态和组装、重量轻、成本低，这些基于电纺纤维的柔性电子器件在日常生活中对个人健康的监测发挥着越来越重要的作用，可用于生物物理信号、生物化学信号和电生理信号检测，以及作为植入式设备促进细胞和组织再生。本文最后提出了电纺纤维基柔性电子器件的几种未来发展方向。

图1.2000年至2022年期间，每年发表的关于静电纺丝（搜索关键词：静电纺丝）、柔性电子（搜索关键词：柔性电子）和电纺纤维基柔性电子（检索关键词：静电纺丝+柔性电子）的科学文章数量。截至2023年3月18日，数据来自科学网。缩写：Es静电纺丝，FE柔性电子。

图2.电纺纤维基柔性电子器件在过去几十年中的进展。

图3.电纺纤维基柔性电子器件的示意图。

图4.静电纺丝技术的主要研究成果示意图。

图5.静电纺丝装置和工艺。（a）实验室规模静电纺丝基本设置。（b）静电纺丝过程中聚合物射流路径示意图。（c）带电电纺射流上的作用力示意图。FDO（向下和向外）和FUO（向上和向外）同时迫使带电部分产生径向上的净力（FR），这会拖动受扰动的部分发生根本位移。同时，相邻电荷的排斥导致所有弯曲和直线部分的伸长，形成局部轴。（d）白炽光束照射下电纺射流呈现出彩色闪光。视图宽度约为3cm。

图6.电纺纤维的结构多样性。（a）多孔纤维。（b）螺旋纤维。（c）分支纤维。（d）项链状纤维。（e）带状纤维。（f）分支带状纤维。（g）弹簧状纤维。（h）核壳纤维。（i）中空纤维。（j1-j4）多通道纤维。

图7.电纺纤维组件的多样性。（a）单轴纤维排列。（b）垂直纤维排列。（c）径向纤维排列。（d）图案结构。（e）纺制纱线长轴的SEM图像。（f）拉伸（SR 8，160℃）和退火（130℃，4小时）纱线长轴的SEM图像。（g）一种通过冷冻干燥电纺短纤维制备的聚合物海绵。（h）通过冷冻干燥短电纺纤维制备的海绵的SEM图像。（i）3D打印纤维支架。（j）3D打印纤维支架的SEM图像。（k）具有不同纳米纤维含量的3D打印复合材料支架的示意图。（l）具有不同纳米纤维含量的3D打印复合材料支架的宏观照片。

图8.（a）一种用于大规模生产纳米纤维的无针静电纺丝装置。（1）蘑菇静电纺丝装置示意图。（2）蘑菇静电纺丝过程中多个喷嘴的照片。（3）大尺寸的纳米纤维膜。（b）多喷嘴静电纺丝系统（上部）和纳米纤维大规模生产系统（下部）的组件示意图。（c）一卷自支撑多孔膜。

图9.基于电纺纤维基材的柔性电子产品。（a）三明治结构AgNW/TPU膜的EDX重叠SEM图像的横截面。（b）超薄多孔纳米网状弹性AgNW/TPU导体的表面SEM图像和层间粘附的示意图。（c）由静电纺丝不同时长的PU NFs构成的AgNW/TPU导体在应变下的电性能。（d）通过丝网印刷在TPU膜上形成具有LM电路图案的柔性电子器件。（e）双网络AgNWs/PI导电海绵。（f）碳纤维海绵的压阻性能。（g）一种无炎症、透气、轻质、可拉伸的皮肤纳米网导体。（h）壳聚糖基电子皮肤的降解性能。

图10.基于电纺纤维增强材料的柔性电子产品。（a）一种由聚偏氟乙烯纳米纤维增强的弹性导体。（b）一种机械联锁的混合水凝胶电极。（c）一种基于水凝胶的分层褶皱可拉伸纳米纤维膜。（d）一种物理和化学结合的机械坚固、透明的纳米纤维增强水凝胶。（e）纳米纤维增强石墨烯气凝胶。

图11.以电纺纤维为电活性元件的柔性电子器件。（a）一种基于电纺P3HT纳米纤维的柔性晶体管，用于活性通道材料。左图：示意图；中间：SEM图像；右图：光学图像，设备阵列可以拉伸至ε=0.7。（b）一种基于纤维的有机突触晶体管和神经肌肉电子系统。（c）不同AgNW浓度制备的PVDF-AgNW复合纳米纤维及其表面电势。

图12.全纤维结构柔性电子产品。（a）连接在食指上的纳米网压力传感器。（b）一个3×3像素的全纤维电子皮肤，贴合在手臂上。（c）一种全纤维电子纺织品及其吸湿性能。（d）贴上纳米膜的手背特写照片，以及纳米膜从人造皮肤上分离的过程。虚线矩形是附着纳米薄膜的区域。

图13.基于不同类型电纺纤维组件的柔性电子产品。（a）生物神经元网络和模拟生物突触的有机纳米线突触晶体管的示意图。（b）人体内部结构模型上的有机纳米线光电突触。（c）纳米纤维纱线传感器。（1）编织到戴手套的食指上的传感器单元，以及检测手指弯曲时的相对电阻响应；（2）一种由导电纱线构成的电子织物，顶部放置金属字母“C”用于施加压力，以及相应的2D强度分布。（d）制造的纳米网装置的光学图像。（e）基于纳米纤维海绵的5像素×5像素压力传感器阵列，和与电池施加的压力相对应的电阻变化的2D图谱。（f）一种藻酸盐/纳米纤维复合气凝胶，其具有99.8wt%的超高含水量。所得水凝胶是通过Al3+交联制备的。（g）一种无疲劳且可自修复的纳米纤维混合离子水凝胶。

图14.基于电纺纤维的不同平台，用于构建各种传感设备。电纺纤维扮演着地球的角色，各种平台（树）可以在其上建立。基于这些纤维平台，可以制造各种类型的传感器（苹果）来运用柔性电子器件。

图15.（a）一种各向异性传感器（由两个可拉伸、可扭曲传感器相互交叉组装而成）用作肩部、肘部和腕部关节的潜在全向运动检测器。（b）一种基于纳米纤维离子凝胶垫的透气应变/温度传感器。（c）基于多尺度多孔SEBS和喷涂Ag-NWs的多模式皮肤电子器件。（1）皮肤上多模式电子贴片的图像以及（2）记录的α节律（左）、ECG信号（中）和EMG信号（右）。（d）一种具有单向排汗功能的皮上金/热塑性聚氨酯/纤维素膜多模式表皮传感器。（e）使用机器学习LSTM算法对手势识别进行分类。

图16.具有热管理功能的电纺纤维传感器。（a）由金属纤维、AgNWs和PET薄膜组成的热传感器和加热器。（b）一种柔性、透气的皮肤电子设备，集成了具有抗菌功能的温度传感器。（c）一种基于TPU-氮化硼纳米片薄膜的高散热应变传感器。（d）一种具有先进加温功能的碳纤维机械感应装置。

图17.用于检测生物物理信号的电纺纤维基柔性设备。（a）一种具有高度形状适应性的同轴压电纤维基电子皮肤。（b）一种用于实时监测温度、运动和流量的柔性电子血管。（c）一种基于可收缩电纺纤维垫的高度可拉伸皮肤电极。（d）一种缠绕锁定的碳纳米管/聚合物纳米纤维螺旋线超拉伸导体。（e）kirigami结构纳米纤维多功能传感器。（f）一种具有最小机械约束的耐用皮上纳米网应变仪。

图18.显示电化学生物传感器工作机制的示意图。传感器系统由两部分组成，即传感元件和信号转换器。电极上发生的氧化还原反应产生的电流将通过传导系统传输到信号分析系统进行放大。

图19.用于检测生物化学信号的电纺纤维基柔性设备。（a）一种纤维结构的可穿戴生物传感器附着在皮肤上。（b）用于多路汗液生物传感的传感器阵列（包括葡萄糖、乳酸、钠和钾）。（c）p-ATP在AgNPs/PEI/PVA纳米纤维垫上基于表面增强拉曼散射的pH传感性能。（d）电纺涂层植入式葡萄糖生物传感器的设计。其中1是棉布，2是Pt-Ir线圈，3是使用GA交联固定在BSA上的GOD，4是EPU传质限制膜，5是作为组织工程涂层的电纺膜，6是作为传质限制膜的电纺薄膜。（e）光学显微镜图像显示了PU纳米纤维涂层植入式葡萄糖生物传感器的组织-植入界面。（f）释放NO的多孔电纺纤维膜涂层针型葡萄糖传感器的层层结构示意图（1）以及针型葡萄糖传感器对释放5wt% NO的树枝状聚合物掺杂16%（w/v）Tecoplast电纺纤维改性最外层膜的安培响应示意图（2）。

图20.用于检测电生理信号的电纺纤维基柔性装置。（a）一种基于植入式复合纳米纤维的纳米发电机。（b）具有优异压电性能的定向PLLA纳米纤维，用于可生物降解植入式压电器件。（c）使用纳米纤维电极记录体内神经信号。（d）基于碳纤维的神经植入物的体内表征。（e）一种具有局部放大功能的纳米网有机电化学晶体管，用于皮肤ECG信号采集。（f）基于电纺纤维的心电图传感器与商用Ag/AgCl电极的比较。（g）一对纳米网电极附着在皮肤上。

图21.用于促进细胞和组织生长的电纺纤维基柔性植入式装置。（a）细胞牵引触发压电纤维按需电刺激，用于神经元的分化。（b）一种由电纺纳米纤维支架组成的工程化3D纳米复合心脏补片。（c）包含PLGA纳米纤维的纳米线纳米电子支架的亮场光学显微照片。（d）使用微电极阵列传感器对工程化心脏组织进行细胞外记录的原理。（e）定向纳米纤维支架可促进心肌细胞的成熟。（f）一种负载抗炎药地塞米松的纳米纤维装置。DEX的释放可以通过逆转所施加电场的两极来控制。（g）一种低功率可拉伸的人工突触，用于增强神经受损的活体小鼠的肢体运动。

图22.对电纺纤维基柔性电子器件未来发展方向的展望。