近日，家蚕基因组生物学国家重点实验室（西南大学）代方银教授/李智副教授团队在化学工程领域Top期刊Chemical Engineering Journal（中科院工程技术大类一区，IF2021=13.273）在线发表题为“Breathable Nanomesh Pressure Sensor with Layered Polyaniline Grown at Gas-liquid Interface”的研究论文，报道了一种基于气液界面生长的层状聚苯胺（polyaniline, PANI）可呼吸式纳米网状压力传感器。
单一导电聚合物（conductive polymers，CPs）的力学性能较差，难以形成纤维材料，将CPs与柔性基材结合可开发功能性导电材料，所制备的复合材料既具有衬底的柔性功能特性，又具有与活性物质相关的电活性。现有基于CPs的柔性基材通常是在溶液体系制备的，CPs的不溶性使其难以在溶液中均匀分散，当CPs以团聚颗粒的形式分布到柔性底物中时，其分子结构表征和应用受到严重影响。在聚合过程中，机械搅拌有利于单体的均匀分散，但容易对柔性基体造成不可逆的损伤，导致装置耐久性差；单体在溶液中的分散会导致反应物被水分子稀释，从而减慢聚合速度，降低产物得率，整个反应过程耗费大量时间和成本。此外，聚合产生的大量废液的分离耗时长，处理成本高，给环境治理造成极大负担。因此，在保持材料力学性能的前提下，实现CPs对绝缘基底的有效活化改性是当前柔性电极材料研究领域亟待解决的难题之一。
针对以上问题，该研究报道一种新型的气液界面聚合方法，利用苯胺单体的挥发特性，在浸泡过引发剂和掺杂剂的静电纺丝纤维上原位生长导电壳层PANI。该方法同时适用于丝素蛋白、醋酸纤维素和聚酯三种静电纺丝纤维。当单体从自制的密封反应仓底部向预处理过的纤维扩散时，被纤维表面的引发剂溶液捕获，从而引发聚合反应，PANI沿纤维轴向法线由内向外生长，在气液界面形成具有清晰边界的层状活性材料。纤维薄膜在浸泡过程中吸收大量引发剂溶液，形成有利于聚合反应的丰富水膜环境，聚合过程能极大程度地保持静电纺纤维膜的大孔径和高比表面积，低温聚合可避免CPs层的不规则生长，在不牺牲三维多孔结构的情况下赋予电纺纤维高电导率。基于这些特点，为探明纤维表面水含量与导电层性能的关系，改善三维网状结构对传感器性能的影响，研究进一步引入甘油延缓水分挥发速度，调控CPs聚合程度，并建立数学模型分析传感器的灵敏度因子与甘油含量之间的关系，其结论对基于CPs的静电纺丝材料的结构和性能调控具有普适的规律和应用价值。
丝素蛋白具有良好的生物相容性、自降解性和力学性能。课题组在此前的研究中将丝素蛋白和聚乳酸羟基乙酸混合纺丝制备出具有力学性能优异和生物相容性更佳的复合薄膜，再通过添加活性导电材料，可制备出具有三维精巧结构的蚕丝基压阻式传感器（International Journal of Biological Macromolecule，中科院JCR一区；Advanced Electronic Materials，中科院JCR二区）。在此基础上，本研究利用丝素蛋白静电纺丝，通过制备的再生丝素蛋白纤维膜吸收大量的水分子，形成有利于聚合反应的丰富水膜环境，延长聚合反应过程，促进导电聚苯胺均匀稳定地在纤维上生长，极大地提升导电活性材料的质量和组装传感器的综合性能，为传感器的应用提供电子传输基础。
气液界面聚合法制备导电纤维膜的实验流程图
通过这种界面聚合法制备的导电壳层与绝缘纤维芯层之间结合紧密，纤维膜电阻稳定，界面生长能极好地维持静电纺丝膜的多孔结构，使薄膜透气性优异。将该核壳纤维膜组装成柔性压力传感器，与传统液相聚合法制备的传感器相比，该方法制备的传感器具有较高的灵敏度(10.62 kPa−1)、快速的响应时间(60 ms)和灵敏的检测下限(5.1 Pa)。此外，该传感器可用于实现实时、无创的人体健康评估，辅助呼吸道疾病的检测和临床诊断，还能借助气压辅助分子生物学检测，在家庭医疗和即时护理中具有很大的应用价值。
西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室为论文第一署名单位，硕士研究生徐梦婷（2019级纺织科学与工程专业）为第一作者，李智副教授为最后通讯作者，代方银教授为共同通讯作者。该研究由国家重点实验室自主研发经费、中国纺织服装学会智能纺织服装柔性器件重点实验室开放课题、重庆市“留创计划”创新类资助项目及中央高校基本科研业务费专项资金资助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722022124?via%3Dihub
消息来源：家蚕国重
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