清华大学张莹莹课题组《AFM》：天然丝蛋白实现可水洗的多模式可穿戴设备

在可穿戴设备的发展中，电子纺织物得益于其独特的纤维基结构，具有柔软性、透气性，甚至弹性，从而确保穿着舒适，因此吸引了科学和工业领域的广泛关注。然而，实现穿着舒适和电子功能耐用的集成系统仍然是一个巨大的挑战。

石墨烯具有优异的柔韧性、良好的导电性和高稳定性，使其成为构建电子纺织物的理想候选材料。但由于石墨烯具有疏水性，目前制备亲水性的石墨烯油墨的方法通常会带来环境、健康危害性等问题。因此，人们迫切需要无毒无害的亲水或水性石墨烯油墨以构筑穿着舒适和电子功能耐用的可穿戴设备。

为解决上述问题，清华大学张莹莹课题组报道了一种基于传统纺织物和天然丝蛋白石墨烯墨水的电子纺织物。其亲水性、透气、生物相容性和可水洗性特点有力确保了该织物的电子性能和穿着舒适性。在此基础上，开发了一种能够同时采集和分析肌电信号和机械信号的集成多传感纺织物，实现了复杂人体运动的识别和区分。相关工作以“Hydrophilic, Breathable, and Washable Graphene Decorated Textile Assisted by Silk Sericin for Integrated Multimodal Smart Wearables”为题发表在《Adv. Funct. Mater》。

【HSG纺织物的制备】

蚕茧中还有一种天然蛋白质，即丝蛋白，其具有高亲水性、良好的生物相容性和乳化性。天然丝蛋白中含有大量的芳香氨基酸残基，这使得其能够通过非共价相互作用来修饰石墨烯。此外，丝胶中约70%的氨基酸残基在侧链上有亲水基团。因此，在天然丝蛋白的帮助下，石墨烯可以在水中稳定，从而形成不含任何人工化学物质的绿色石墨烯水油墨。

基于丝胶的特性，作者首先通过在天然丝蛋白水溶液中剥离膨胀石墨（EGr），得到稳定、均匀的丝胶修饰石墨烯（SG）水性油墨。然后用所制备的油墨浸染商品纺织物，得到SG涂层纺织物。最后，用己二异氰酸酯（HDI）原位交联SG复合材料，得到HDI交联的SG纺织物（HSG纺织物），使其具有长时间耐水洗的稳定性。

图1.HSG纺织物的制备和基于HSG纺织物的集成多传感系统的示意图

【HSG纺织物的性能表征】

作者首先通过HSG织物相关表征验证了亲水性天然丝蛋白石墨烯片以保形形式涂覆在纺织物中的纤维表面，并且具有良好的导电性，可作为舒适的电子纺织物应用。其次，作者通过测定纺织物上水分的垂直吸湿率和水蒸气透过率（WVTR），发现其吸水速度比原始纺织物更快，WVTR与原始织物的相似，确保了其具有良好的亲水性和透气性。最后通过用肥皂溶液洗涤120min后，HSG纺织物保留了大部分导电性，证明了HDI交联工艺能有效地提高纺织物的耐洗性。

图2.HSG纺织物的性能表征

【基于HSG纺织物的多模式传感系统】

基于HSG纺织物的导电性、亲水性、透气性和可洗性，作者制备了一款能够追踪手势的智能手套。将HSG织物应变传感器装配在手套上，监测每个手指的运动。根据接收到的实时数据，可以在计算机上显示一只可视的手。此外，HSG纺织物还可以用作纺织品物生物电位电极。为了验证这个概念，作者制作了纺织物肌电图（EMG）电极。将三件HSG织物装配在腕带上，腕带佩戴在手臂上，可以有效收集双手合/张开时的肌电信号。HSG纺织物还具有其他应用价值，比如可以用于采集的原始肌电信号及其平均校正值（ARV），根据信号振幅和ARV可以清楚地区分手的闭合状态和打开状态。肌电图信号的ARV可以用于评估肌肉的激活状态，以及HSG纺织物电极还可用于记录心电图（ECG）信号。

基于以上应用，作者构建了一个包含肌电图和应变传感器的集成系统，并演示了其在手部活动识别中的应用。应变传感器和肌电图电极分别用于监测手臂肌肉的机械变形和肌电信号。作为一个演示，作者捕捉并识别了三种手部动作，包括双手合十、握拳、抓住并举起重物。肌电图信号来源于肌肉的不同激活状态，可以清楚地显示出肌电图与肌电图之间的差异。例如，手部闭合时，肌电图信号较弱，说明肌肉激活水平较低。相比之下，握拳时，肌电图信号较强，表明肌肉的激活水平较高。

图3.基于HSG纺织物应用及多模式传感系统

总结：作者创新地利用天然丝蛋白，制备了亲水性、透气、生物相容性和可水洗的石墨烯装饰的电子纺织物（HSG）。在此基础上，作者进一步开发了一种能够同时采集和分析肌电信号和机械信号的集成多传感纺织物，实现了复杂人体运动的识别。结合亲水性、透气性、生物相容性、可水洗性和多功能性的特点，这种基于传统纺织物和水性天然丝蛋白石墨烯墨水的电子织物构筑策略为构建智能可穿戴设备提供了借鉴和指导。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200162

来源：高分子科学前沿

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