一、文章简介

在过去的二十年中，柔性电子产品因其独特性质在电子皮肤、人机界面、柔性显示、可穿戴设备、便携式能源装置和植入式器械等领域的众多潜在应用而备受关注。电纺纤维具有优异的力学性能和可调控的物理化学性能，在用于制造新兴的柔性电子产品方面展示出巨大的前景。本文全面回顾了基于静电纺丝的柔性电子，包括电纺技术简介、电纺纤维多样性、电纺纤维电子器件集成策略和各种器件平台（包括电极、电阻、电容、压电/ 摩擦电、电化学和晶体管等类型）。 这些基于电纺纤维的柔性电子器件可以集成多种传感模式、无线通信、自供电和热管理功能。得益于电纺纤维优异的柔韧性、坚固性、高孔隙率、多样化的纤维形态和组装形式、重量轻、制备成本低等众多优点，电纺纤维柔性电子产品在个人医疗保健和人体监测方面发挥着越来越重要的作用，可用于生物物理信号、生化信号和电生理信号检测，并可作为植入式器件促进细胞和组织再生。文章结尾，作者对现阶段工作进行了总结，并对电纺丝纤维的柔性电子领域的发展进行展望。

TOC图 电纺纤维柔性电子性质、类型及应用示意图

该综述论文以“Electrospun Fiber-Based Flexible Electronics: Fiber Fabrication, Device Platform, Functionality Integration and Applications”为题，发表在材料科学顶级期刊Progress in Materials Science上（影响因子: 48.165）（https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101139）。中科院苏州纳米所张珽研究员为该综述通讯作者，高强博士后为该论文第一作者，共同作者还包括静电纺丝领域著名学者德国拜罗伊特大学的Seema Agarwal教授和Andreas Greiner教授。该研究得到了国家杰出青年科学基金（62125112）、国家自然科学基金面上项目（62071463, 62071462, 22109173）和中国博士后科学基金面上项目（第72批）（2022M722329）的资助。

二、图文导读

静电纺丝广泛用于制备具有非凡性能的超细纤维，其制备获得的纤维产品具有高表面积、高孔隙率、柔韧性和结构多样化等优点，广泛应用于组织工程、药物控释、水处理、光电器件、储能器件和柔性电子等众多领域，受到学术界和工业界的极大关注。自从2000年，发表的关于静电纺丝的文章已超过5万篇。于此同时，柔性电子产业迅速发展。在过去的二十年里，发表的关于柔性电子的论文已超过3万篇。特别是最近10年，电纺纤维柔性电子发展迅速，并且呈现持续迅速发展势态，在2022年，发表的关于电纺纤维柔性电子的研究占比柔性电子整个领域超过2.5%。然而，关于电纺纤维柔性电子的高水平综述文章依旧缺乏。为了填补该空缺，本文从电纺技术与电纺纤维制备、器件平台、功能集成和应用方面详细总结电纺纤维柔性电子的研究进展。

作者将电纺纤维柔性电子的发展分为四个阶段：

第一阶段（2000-2012 年）：研究人员主要专注于导电电纺纤维的制备和电学性能调控。

第二阶段（2012-2016年）：纳米生物电子支架、纳米纤维加速度计、可拉伸晶体管、柔性太阳能电池等基于电纺纤维的新型柔性电子器件开始进入人们的视野，并因其优异的性能而受到越来越多的关注。

第三阶段（2016-2020年）：电纺纤维柔性电子在材料和器件原型方面取得了重大进展。 在此阶段，科研人员探索了许多新颖的柔性电子设备，并在各种应用场景中对其性能进行了很好的检验，例如用作可穿戴电子设备或植入式电子器件。这些柔性器件包括超薄纳米纤维网柔性器件、全纤维电子器件、基于单纤维的人工突触、心脏电子贴片等。

第四阶段（2020年以来）：基于电纺纤维的电子产品在发表的文献数量和设备性能方面都取得了爆炸性的进步，并且这种快速的进步仍在继续之中。

电纺纤维的成分具有多样性，可以通过聚合物、小分子、胶体和复合材料加工制备，使其物理和电学性能根据具体应用具有高度的可调节性。在柔性电子器件中，电纺纤维可用作不同组件成分，如导电元件、基底材料、增强成分，甚至是构建全纤维结构器件。此外，受益于电纺纤维的多样化结构（例如，多孔、空心、核-壳、多通道和纳米带）及其组成多样（例如，单纤维、纱线、对齐纤维、随机纤维、纤维垫和 3D 多孔结构）, 电纺纤维使得柔性电子器件具有一系列特殊优势，包括柔韧性、透明性、导电性、透气性、自愈能力和耐洗性，赋予设备高性能和某些独特的功能。基于静电纺丝纤维的电子产品可以作为不同的平台，包括拉伸电极、电阻传感器、电容传感器、摩擦/压电传感器、晶体管、纳米发电机和植入式设备等，用于监测一系列人体活动、电生理信号、生物分子信号，实现随时随地获取个人健康信息。

文章共包含六个章节：第一章为背景介绍，第二章为静电纺丝技术和电纺纤维，第三章关于电纺纤维柔性电子平台，第四章关于电纺纤维柔性电子器件的功能集成，第五章关于电纺纤维柔性电子的应用场景，第六章为总结和展望。

在背景介绍中，作者介绍了电纺纤维柔性电子研究背景。随着科学技术的进步，电纺纤维柔性电子受到人们的关注迅速上升。经过近二十几年的发展，无论器件形式还是器件性能都获得了巨大的进步（图1）。电纺纤维的众多特性赋予了柔性电子独特的应用优势，使其可广泛应用于健康检测各个方面。

 图1 过去二十年电纺纤维柔性电子重要研究进展

静电纺丝技术和电纺纤维章节中，作者介绍了静电纺丝技术发展简史、静电纺丝技术原理（图2）、不同静电纺丝方法、用于制备电纺纤维的材料、电纺纤维结构多样性和电纺纤维的规模化制备技术。其中，用于制备电纺纤维的材料种类多样，包括聚合物、小分子、胶体和复合材料。

 图2静电纺丝装置及原理示意图

电纺纤维柔性电子平台章节中，作者首先介绍了电纺纤维用作柔性电子平台具有多重优点，包括材料多样性、纤维形貌多样性、大比表面积、柔韧性、透气性等。接着，介绍了电纺纤维用于制备柔性电子的制备策略，可用作柔性电子的基底材料、增强成分、电活性成分，甚至用于制备全纤维结构器件。电纺纤维组装体具有结构多样性特点，柔性电子器件可基于其单纤维结构、纱线结构、二维纤维网络结构、三维纤维网络结构、纤维复合水凝胶，制备的柔性电子具有也具有结构多样性（图3），极大丰富了电子器件的结构类型，满足不同场景的应用需求，如拉力、压力、温度、湿度、气体和电化学传等。

图3 基于不同结构纤维组装体的柔性电子

电纺纤维柔性电子器件的功能集成章节中，作者介绍了电纺纤维柔性电子器件的功能集成，包括多模态（图4）、自供能、无限通讯功能、热管理、自清洁和生物相容性功能的传感装置和系统。上述功能的集成，有利于电纺纤维柔性电子更好地满足实际应用需求。

图4 多模态电纺纤维传感器及传感系统

电纺纤维柔性电子具有众多应用场景，该章节中，作者重点介绍了用于人体生物物理信号、生物化学信号、生物电信号（图5）的检测和作为植入式生物电子用于促进细胞和组织再生。

图5 电纺纤维柔性电子用于生理电信号检测

在总结和展望中，作者表示，虽然电纺纤维柔性电子已经取得了巨大进展，但是仍面临诸多挑战，例如，直接制备高导电纤维、纤维器件的长期稳定性、功能集成和规模化制备等。解决上述问题，实现电纺纤维柔性电子器件服务于人们日常生活依然还有很长的路要走。

三、作者简介

高强，中科院苏州纳米所博士后，合作导师为张珽研究员。受国家留学基金委（CSC）资助到德国拜罗伊特大学（高分子科学与工程专业世界排名第十，德国排名第一）攻读博士（2018.01 – 2022.01），师从高分子材料领域著名学者Andreas Greiner教授。其研究方向聚焦于电纺纤维柔性电子器件，在Prog. Mater. Sci., Nano-Micro Letters, Adv. Funct. Mater.和ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高水平期刊发表论文10余篇，其有关成果已被国内外报道和多次引用。

Seema Agarwal，德国拜罗伊特大学教授和学术主任，博士生导师，电纺纳米纤维研究领域的引领者之一。研究方向为可持续的生物聚合物、智能和功能聚合物、特殊形态纳米纤维和静电纺丝。 迄今，在Science, Angew. Chem. Int. Edit., Sci. Adv., Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci.等学术期刊发表 240 多篇同行评议的文章，合著两本关于静电纺丝书籍：静电纺丝：纳米纤维实用指南 (De Gruyter) 和静电纺丝：材料、工艺和应用 (Wiley)，并合著多篇关于能量存储器件和可生物降解聚合物主题的书籍章节。为 Alexander von Humboldt 研究员，并获得德国化学学会颁发的 Hermann-Schnell 奖。担任e-Polymers 杂志主编，Macromolecular Materials and Engineering 杂志的国际顾问委员会成员。（个人主页 https://www.mcii.uni-bayreuth.de/en/team/team-agarwal/index.html ）

Andreas Greiner，德国拜罗伊特大学教授和MC II主席，博士生导师，研究领域为高分子化学和物理，电纺纳米纤维研究领域的引领者之一。主要研究方向包括可持续聚合物、超轻多孔聚合物、聚合物新材料开发、静电纺丝、聚合物涂层技术、导电复合物、纳米粒子和微塑料污染物。迄今为止已在Science, Angew. Chem. Int. Edit., JACS, Sci. Adv., Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci.等国际著名杂志发表学术论文350多篇；论文他引次数超过36000次，他引排名进入国际前50名。合著两本关于静电纺丝书籍：静电纺丝：纳米纤维实用指南 (De Gruyter) 和静电纺丝：材料、工艺和应用 (Wiley)，授权国际专利 20余项，邀请报告超过100次。先后承当多项DFG和SFB和欧盟重大项目。（个人主页 https://www.mcii.uni-bayreuth.de/en/team/team-greiner/index.html ）

张珽，研究员，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师，纳米所学术委员会副主任，创新实验室（i-Lab）研究部主任，Nano-X纳米真空互联实验站主任。2021年国家自然科学基金杰出青年基金获得者。主要研究方向致力于纳米智能材料、柔性电子、仿生智能传感技术、类脑芯片技术、可穿戴智能系统领域的研究，在此基础上探索其在医疗健康、人工智能、人机融合、能源与环境等相关战略领域的创新应用。成功研制了达到实用水平的多量程、高性能仿生柔性微纳传感器，在业界得到广泛应用。先后承担国家自然基金重大研究计划、科技部重点研发计划、中科院战略先导专项等项目，在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Acc. Chem. Res., JACS、ACS Nano, Nano Letters, Biosens. Bioelectron.和 Anal. Chem.等学术期刊上发表学术论文100余篇，撰写专著5章，申请中国发明专利50余项，PCT国际发明专利3项，其中多项发明专利已成功许可和产业转化。研究成果引起领域内同行高度关注，近五年应邀在纳米科技、柔性电子学、智能传感技术、可穿戴智能技术等学术会议作邀请报告40余次，并多次担任国际国内会议主席和组织委员等。(个人主页http://ting.sinano.ac.cn/members/8.html )

文章链接

Electrospun Fiber-Based Flexible Electronics: Fiber Fabrication, Device Platform, Functionality Integration and Applications

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101139