随着人工智能和物联网的快速发展，柔性、可穿戴和生物相容的传感器设备因其在医疗保健、生理监测、人机交互和安全方面的广泛应用前景而越来越受到关注。其中，压电纳米发电机（PENG）具有结构设计简单、尺寸小、操作简单、灵敏度高、耐用性和灵活性的优点；因此，它们在传感器网络、能量采集器和自供电系统中的应用引起了极大的关注。尽管传统的陶瓷基压电材料（如锆钛酸铅和氧化锌锆钛酸钡）已被广泛用于压电能量采集，但它们的毒性、较差的生物相容性以及灵活性限制其在可穿戴设备中的应用。另一种选择是不可生物降解的氟化压电聚合物。仍然需要具有良好传感性能的生物相容性和可生物降解的压电材料。

近日，江南大学蒋高明教授团队联合英国巴斯大学物理系Kamal Asadi教授团队，在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Robust Piezoelectric Biomolecular Membranes from Eggshell Protein for Wearable Sensors”。 江南大学为第一署名单位，江南大学针织技术教育部工程研究中心丛洪莲教授、贺海军副教授和英国巴斯大学物理系Kamal Asadi教授为该论文的共同通讯作者，江南大学博士生梁鑫花为本论文的第一作者。研究者制备出了ESM胶原蛋白压电纳米纤维，其具有良好的柔韧性和传感稳定性，可以广泛应用于纤维基可穿戴传感器领域。所提出的压电纤维材料具有良好的生物相容性和透气性，能够适应复杂的变形，并且能够更舒适地接触人体皮肤。压电输出在耐久性测试中保持稳定，在周期性刺激下表现出优异的耐久性。此外，压电器件可应用于检测人体运动的可穿戴传感器，展示了其作为电子设备的巨大潜力。最后，将所提出的生物分子纳米纤维传感器快速溶解在去离子水中，显示出其优越的降解性。

作者通过低成本、简单且可扩展的静电纺丝技术，制备了由蛋壳膜与聚环氧乙烷混合组成的纳米纤维基生物压电传感器。ESM外表面呈现一种具有交织和聚结纤维的结构，该结构提供了大的比表面积和大的间隙。通过优化纺丝工艺参数，获得了均匀的纳米纤维膜，其结构与原始ESM的外表面相似。所制备的具有不同浓度SEP/PEO的纳米纤维是连续的，具有均匀的直径分布。随着PEO的增加，纳米纤维的直径呈现增加的趋势。这是因为PEO和SEP之间形成了氢键，提高了混合物的可纺性，改善了纺丝溶液的流变行为，有利于制造均匀的电纺纤维（图1）。

图1： SEP/PEO纳米纤维的制备。

复合膜的介电常数随着PEO含量的增加而不断增加，当PEO与SEP的比例为1:1时达到最大值，这优于大多数报道的生物分子膜。介电常数的高值可归因于与PEO的氢键，这可帮助胶原在静电纺丝（或电极化）过程中被电力拉伸时沿着PEO聚合物链进行极化排列。所制备的传感器在不同的压力、频率下都呈现出不同的压电响应输出，证实其检测动态频率和压力的优异能力。与其他可再生能源采集方法相比，高功率密度赋予其为可穿戴电子设备供电的强大能力。在3000次循环的加载/卸载试验中，器件的电压值没有明显的振幅变化，验证了该装置具有良好的机械稳定性（图2）。

图2：该器件的结构和压电性能。

此外，作者测量了压电器件在不同手指数的压力下的灵敏度。电压信号随着手指数量的增加而增加。作者还测试了粘贴在鼠标上的传感器的不同输出响应，以同时检测静态压力（拖动）和动态压力（点击和双击）。双击动作的信号出现两个尖锐的峰值，与拖动和单击动作有显著差异。该传感器还可以区分不同重量和粗糙度的各种物体，甚至可以检测质量为0.25克的葵花籽。为了探索所制备的传感器在人机交互中的多功能应用，该传感器用于书写不同的字母，如“K”、“T”和“C”，并呈现相应的信号波形，有助于构建一个针对残疾患者的智能手写识别系统（图3）。

图3：SEP/PEO压电器件的实际应用。

由于所提出的SEP/PEO压电器件具有稳定的传感性能、良好的生物安全性和灵活性，它在可穿戴传感器应用中对人体运动的全范围识别具有巨大的潜力。该设备连接在手指上，用于检测手指的移动。随着手指弯曲角度的变化，传感器呈现出不同的电压输出。还测试了设备固定在手腕上时在各种手势下的输出电压。电压波形对于同一手势具有良好的可重复性，并且在不同手势之间具有显著差异，表明传感器可以区分肌肉和肌腱的微小运动。

此外，该传感器连接在声带上，以感应讲述不同单词引起的微小振动，为远程人机控制和发音康复训练提供了一种有效的方法。同样，该传感器也可用于检测肘部或膝盖等大幅度的运动。所有结果表明，所制备的传感器在大而精细的运动检测、机器人假肢和人类康复运动监测方面具有诱人的潜力（图4）。

图4：所提出的传感器在人体运动检测中的实际应用。

【结论与展望】

这项工作解决了蛋壳膜在可穿戴传感器中的应用挑战。作者通过简单的静电纺丝方法，在生物废物蛋壳膜的基础上开发了一种具有良好的传感能力、生物相容性和透气性的柔性生物分子压电传感器。该策略可用于与其他压电生物材料一起设计可扩展的生物分子膜，所提出的传感器有望成为健康监测、身体网络和人工智能领域的绿色电子设备的一个有前途的候选者。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12809