中科院力学所苏业旺团队ACS Nano：新型多级针织结构导电织物为微电流治疗带来舒适高效解决方案

现代职业中长时间站立或久坐的工作状态容易导致肌肉僵硬、血液循环不畅和新陈代谢率下降，进而可能引发肌肉萎缩、静脉曲张和血栓等疾病。微电流疗法（MCT）能有效促进血液循环和代谢，预防此类疾病。然而，现有的MCT设备受限于材料与结构设计，难以在最佳疗效与患者舒适度之间取得平衡。特别是，许多柔性聚合物基穿戴式MCT设备的透气性不足，影响了其临床适用性。

近日，中科院力学所苏业旺研究员团队提出了一种用于微电流治疗的多级针织结构导电织物，该织物集优异的导电性、透气性和热舒适性于一体。为满足MCT严格的电流要求，研究团队建立了多级结构导电织物电阻-应变关系的分析模型。实验结果表明，该织物具备出色的重复使用性、耐洗性和耐磨性。作为设备级示例，导电织物被用于制作可穿戴的MCT袜子，具有大面积治疗和便携的特点。动物实验最终证明，该MCT袜子能有效促进血液循环和新陈代谢。这项发展为结合卓越透气性、舒适性和电学性能的治疗平台提供了重要进展。相关论文以“Multilevel Knitted-Structure Conductive Fabrics for Microcurrent Therapy”为题，发表在ACS Nano上。

研究通过示意图直观展示了基于导电织物的MCT设备与基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）设备的对比，凸显了前者在拉伸性、治疗功能、渗透性和舒适度方面的综合优势。图1b进一步阐述了导电织物的制造过程：首先将聚酯纤维与金属短纤维加捻制成导电混纺纱线，随后通过针织技术将导电纱线与聚酯纱线结合形成导电区域，并在非导电区域使用棉纱以确保舒适性。该织物展现出可拉伸、可折叠和可扭转的特性，适合用于可穿戴电子设备。

图1. 多级针织结构导电织物的展示与制备。 (a) 基于导电织物和基于PDMS的MCT设备对比。(b) 导电织物的制备过程示意图。

在研究多级针织结构的电学特性时，团队从纤维层面入手，选择了不锈钢纤维作为导电纱线中的金属成分。通过测试不同纤维比例纱线的力学与电学性能，发现随着不锈钢纤维比例增加，纱线的断裂强度和动态电阻均下降。综合考虑后，选择了Fe(30:70)纱线作为织物原料。动态电阻在拉伸过程中先降后升的现象，源于纱线内部结构从松散到紧密再到纤维断裂的变化过程。研究还深入分析了织物中因横向拉伸形成的“钩状结构”对接触电阻的影响，并建立了相应的理论模型，实验结果与理论预测趋势一致。此外，基于针织结构的几何特征，团队建立了单线圈电阻模型，用于描述横向和纵向拉伸下织物电阻的变化，并通过实验验证了模型在特定应变范围内的准确性。在弯曲情况下，由于织物厚度远小于平面尺寸，其电阻基本保持不变，实验也证实了这一点。

图2. 多级针织结构的电学特性。 (a) 纱线结构实验示意图。(b) 不同比例导电纱线的光学图像。(c) 不同组成比例导电纱线的力学性能。(d) 不同组成比例导电纱线的动态电阻。(e) 钩状结构实验示意图。(f) 钩状结构详解图。(g) 拉伸过程中钩状结构的电阻变化。(h) 拉伸过程中接触区域电阻的变化。(i) 针织结构的几何模型（左）和线圈电阻模型（右）。(j) 导电织物与线圈电阻的对比。

除了优异的电学性能，这种多级结构导电织物还展现出卓越的稳健性和舒适性。经过1000次循环加卸载测试，织物电阻变化微小，表现出良好的重复性和耐久性。在长达12分钟的超声波清洗（包括使用洗涤剂）测试中，电阻保持稳定，证明了其耐洗性。与皮肤及普通织物的摩擦测试也表明，织物电阻波动极小，具备出色的耐磨性。在舒适性方面，与普通织物和PDMS相比，该导电织物具有相近的透湿性、显著优于PDMS的透气性，以及相近的隔热性，这得益于纱线内部的微观空隙和针织结构形成的通风孔隙。

图3. 导电织物的稳健性与舒适性。 (a) 导电织物循环加卸载测试示意图。(b) 循环测试期间的电阻变化曲线。(c) 超声波清洗后电阻的散点图。(d) 与人体皮肤摩擦后的电阻变化曲线。(e) 与人体皮肤和普通织物摩擦后的电阻变化曲线。(f) 透湿性实验原理及测试结果。(g) 透气性实验原理及测试结果。(h) 隔热性实验原理及测试结果。

为验证其治疗应用，研究团队基于该导电织物制作了可穿戴MCT袜子。在志愿者测试中，袜子能施加0.1-1 mA范围内的治疗电流，且未引起热不适。实际穿着行走测试表明，袜子电阻变化微小，电学性能稳定。动物实验是验证疗效的关键：在大鼠背部使用MCT织物进行治疗，结果显示，治疗组大鼠的局部血流量、血红蛋白含量和血氧饱和度均显著高于对照组，且疗效具有一定的持续性。细胞毒性实验（活/死染色）显示导电织物对成纤维细胞活性无负面影响，组织切片分析也表明MCT处理未对大鼠皮肤表皮和真皮结构完整性造成损害，证实了其生物相容性和安全性。

图4. 使用MCT袜子促进血液循环和新陈代谢的动物实验。 (a) MCT作用机制示意图。(b) MCT袜子的光学图像。(c) 在Sprague-Dawley大鼠身上进行基于导电织物的MCT实验。(d) 大鼠MCT组（4个样本）与对照组（4个样本）血流量变化的比较；误差棒代表标准差；* 表示 P < 0.05，表示对照组与MCT组之间存在显著差异。(e) 大鼠MCT组与对照组血红蛋白含量变化的比较；误差棒代表标准差；* 表示 P < 0.05。(f) 大鼠MCT组与对照组血氧饱和度变化的比较；误差棒代表标准差；* 表示 P < 0.05。(g) 使用活/死染色法对比对照组与MCT组成纤维细胞活性。(h) 动物组织切片显示对照组和MCT组表皮和真皮完整性。

综上所述，本研究提出的多级针织结构导电织物设计，通过建立电阻-应变分析模型，为满足MCT要求同时保持优异舒适性提供了指导。织物表现出良好的重复性、耐洗性、耐磨性、透气性和热舒适性。以此制作的MCT袜子在动物实验中验证了其促进血液循环和代谢的功效，且安全性得到证实。尽管该研究取得了显著成果，但未来仍面临挑战，例如在实际应用中汗液与电流共同作用可能导致的织物氧化与电化学腐蚀问题，以及当前模型在复杂大变形场景下的局限性，这些都将成为后续优化工作的重点。这项研究为开发兼具卓越舒适性与电学性能的新型治疗平台指明了方向。