周赟磊团队NC：可拉伸电子纤维集成制造，解锁多模态传感新可能

在柔性生物电子器件领域，一维（1D）结构因能与柔软生物组织共形贴合、实现高效电荷传输，成为穿戴医疗、微创诊疗的研究热点。液态金属虽凭借高拉伸性、导电性和生物相容性成为理想导电材料，却因高表面张力、生理环境下易降解的短板，难以规模化制备和实际应用。

近日，西安电子科技大学杭州研究院周赟磊团队联合华中科技大学黄永安教授团队提出全新溶液沉积制备策略，成功研发出兼具可扩展性、高导电性和电化学稳定性的可拉伸 1D 液态金属生物电子纤维，破解了传统液态金属器件的核心难题。

这项研究成果以《Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation》为题发表在Nature Communications。团队围绕液态金属纤维的制备、性能优化和生物医学应用展开系统研究，制得的器件在电生理监测、在体神经刺激、无线能量传输等场景中表现优异，为下一代生物电子器件发展奠定了重要基础。研究团队首先直面传统液态金属 1D 器件的两大核心痛点：一是高表面张力导致其难以与弹性聚合物均匀结合，现有注塑、热拉制方法还存在纤维尺寸受限（最小直径 250μm）的问题；二是液态金属在生理液中易与水、阴离子反应，无法直接与生物组织界面接触，长期植入稳定性差。为攻克这些问题，团队开发了逐层化学溶液沉积制备策略，实现了液态金属在超细可拉伸纤维表面的均匀粘附，突破了现有制备方法的尺寸限制，制得的纤维直径可小至 50-100μm。

该制备工艺以聚氨酯（PU）纤维为柔性芯层，先通过多巴胺自聚形成聚多巴胺（PDA）层，为银纳米颗粒（AgNP）沉积提供活性位点，再通过化学沉积形成铜（Cu）层；利用铜与液态金属在稀盐酸中的合金化反应，实现液态金属在纤维表面的稳定结合，形成连续高导电通路。为解决液态金属电化学活性过高的问题，团队创新性引入惰性碳纳米管 / 聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（CNT/PEDOT:PSS）电极层，构建出液态金属 - 惰性材料双层电极结构，既保留了液态金属的高导电性，又实现了复杂生理环境下的稳定传感。同时，团队通过 SEBS 弹性体等材料的分段封装，赋予纤维优异的防水性、抗腐蚀性和机械韧性，使其在生理液中能长期保持电学性能稳定。

材料表征结果证实了该制备策略的优越性：铜涂层将液态金属在 PU 表面的接触角从 119.7° 降至 36.5°，大幅提升润湿性，保障了合金化反应的均匀性；经合金化反应后，纤维电导率从铜涂层的 0.1133 S cm⁻¹ 跃升至 39623 S cm⁻¹，提升超 35 万倍；封装后的纤维可实现 250% 的超高拉伸率，100% 拉伸时电阻仅增加 2 倍，200% 拉伸时增加 9 倍，且经反复拉伸、弯曲循环后无涂层开裂、分层现象。此外，电化学沉积的 PEDOT:PSS 层使电极阻抗降低两个数量级，电化学稳定窗口达 - 1.85~2.15 V，经 1000 次 30% 拉伸循环后阻抗无明显变化，为高保真生物信号检测奠定了基础。

基于优异的结构和性能，这款 1D 生物电子纤维展现出多场景适配的多功能性，首先在柔性电子纺织品集成中表现亮眼。研究团队通过可编程刺绣技术，将液态金属纤维织入织物制备射频天线，实现无线能量传输。该电子纺织品兼具柔韧性、防水性和机械稳定性，弯曲、扭转、锤击下电阻保持恒定，水下仍能稳定为 LED 供电；其电感品质因子与传统铜线相当，高频段性能更优，经 300 次弯曲循环后电阻变化小于 10%，而铜线仅 100 次循环即断裂，完美适配穿戴式设备的动态使用需求。

在电生理监测应用中，该纤维器件展现出远超传统凝胶电极的性能。将其贴附于人体皮肤，通过预拉伸实现与皮肤的紧密接触，同时保留良好的透气性，避免了传统电极因汗液积累导致的皮肤刺激和信号漂移。在心电图（ECG）和肌电图（EMG）检测中，纤维电极能清晰捕捉 P 波、QRS 波群等 ECG 特征，运动状态下几乎无运动伪影，干湿环境下均保持高信噪比；多通道 EMG 检测可精准记录不同手部动作的肌肉电信号，结合机器学习算法，手势识别准确率高达 99.5%，为运动监测、人机交互等领域提供了新方案。

研究团队还通过大鼠坐骨神经在体刺激实验，验证了器件的生物相容性和精准刺激能力。超薄、可拉伸的纤维电极可直接缠绕于坐骨神经表面，形成稳定的电接触界面，施加电刺激后能精准调控大鼠后肢肌肉收缩。实验结果显示，低频率（1-10Hz）刺激下成功率接近 100%，200mV 以上电压即可实现稳定的神经激活，且经 PBS 溶液浸泡 2 天后，刺激性能无明显衰减。细胞相容性实验证实，纤维器件对 HEK293T 细胞的细胞活力无显著影响，PEDOT:PSS 修饰进一步降低了碳纳米管电极的细胞毒性，满足长期生物医学植入的要求。

综上，该研究开发的溶液沉积制备策略，实现了可拉伸 1D 液态金属生物电子纤维的规模化、低成本制备，通过结构设计和性能优化，解决了传统液态金属器件的粘附性、稳定性和界面适配性问题。这款纤维器件集高导电性、优异机械韧性、电化学稳定性和良好生物相容性于一体，不仅能实现高保真的电生理信号监测、精准的在体神经刺激，还能与纺织品无缝集成实现无线能量传输，为穿戴式生物电子设备、微创诊疗器械、脑机接口等领域的发展提供了全新的平台型技术，也为一维柔性生物电子器件的设计与制备提供了重要的参考思路。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70178-