基于压电材料机电转换的自供电电子设备的发展促进了医学诊断和传感技术的众多创新。然而，开发出既具有出色弹性、柔韧性、稳定性，又具备生物相容性和透气性的电子设备，实现与人体生理运动的共形变形和同步机电耦合，从而高保真地收集生物信息，仍然是当前功能材料和纳米技术领域的一大挑战。

近期，南京理工大学冯章启与东南大学王婷团队制备了一种通过纳米限阈自组装策略制备弹性苯丙氨酸二肽晶体纤维（Phenylalanine dipeptide crystal fibers, FF-CFs），由于FF晶体与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（Styrene-Butadiene-Styrene, SBS）纤维以独特的榫卯结构结合而具有超高弹性（≈1200%）、柔韧性（杨氏模量：0.409±0.031 MPa）和出色的物理稳定性，从而解决了FF压电晶体天然刚性和脆性的棘手问题。在循环拉伸和压缩条件下，FF晶体纤维可以保持结构完整性和稳定的压电性能，并且集成的液态金属涂层和无线电子传输组件能够高保真地捕获来自人体运动的生物特征信息，以及高灵敏地监测体内微妙的压力变化。因此，这种弹性FF晶体纤维在柔性机电传感器领域具有应用潜力，适用于精确医疗诊断和高效能量采集。

由于生物压电材料具有生物相容性和生物安全性而被认为是传统陶瓷和聚合物的替代品。与氨基酸、肽、蛋白质和多糖相比, 苯丙氨酸二肽具有优异的压电性能（例如FF纳米棒：d33=17.9 pm/V，FF纳米管：d15=60 pm/V）和机械特性，是制备可穿戴和可植入监测设备的理想材料。

采用纳米限阈法制备弹性FF晶体纤维，FF分子在定向SBS分子束内快速自组装，形成FF-CFs独特的榫卯结构。这种结构可以大幅提高FF晶体的弹性，并且在循环拉伸和压缩下保持结构的完整性和稳定的压电性能，为FF-CFs的高性能应用奠定了结构基础。

FF-CFs的合成和自组装机理

实验结果表明，FF-CFs显示出超高弹性和柔韧性，以及优异的结构稳定性和透气性。FF-CFs的拉伸应变高达1207%，其杨氏模量为（0.409±0.031）MPa，远超许多压电材料。FF-CFs卓越的弹性和灵活性使其能够适应人体的各种活动，从而实现高保真实时生理监测。此外，FF-CFs具备优异的透气性（10.6 mL/s）和生物相容性，使用7d后未出现皮肤炎症，确保长期监测的安全性。

FF-CFs的结构和性能表征

FF-CFs表现出优异的压电性能，高于常见压电材料如甘氨酸、聚乳酸（PLLA）和胶原纤维。通过集成蛇形镓铟合金电极，FF-CFs实现了高效压电电荷感应和传输。在固定应变（0~100%）和拉伸过程中，传感器输出的电压稳定，并经过5000次循环测试验证了其稳定性。此外，FF-CFs在监测人体细微机械刺激方面表现出高灵敏度和可靠性，其性能优于传统的压电、压阻、电容和摩擦电传感器。这些特性使其在健康监测和人机交互方面显示出优势，为可穿戴设备和生物医学传感器的未来发展奠定了基础。

FF-CFs的机电性能

为提升FF-CFs的实用性，设计了微电子检测和无线传输系统，实时将传感器信号转换为数字信号并传输至计算机或智能手机。实验结果表明，传感器在不同部位的响应一致且可重复，输出电压与皮肤变形之间呈线性关系，证明其在测量机械应变方面的响应性和准确性。相较之下，PVDF纤维在大伸长率时信号不稳定，在准确跟踪超过该阈值的机械变化方面具有局限性。该工作制备的传感器还能实时监测帕金森步态，有助于早期干预和个性化治疗，彰显了在个性化医疗保健中的应用潜力。

实时无线检测系统和人体运动监测

为验证体内监测能力，将传感器植入小鼠心脏、胸肌和横膈膜，能够识别心率和呼吸模式。在监测心脏时生成的电脉冲显示出应用于心血管疾病早期诊断的潜力，同时可以识别不同麻醉状态下的横膈膜运动，表明其高灵敏度和临床应用潜力。FF-CFs的胶原纤维反应小、生物相容性优异、细胞毒性低，可应用于体内植入设备。

基于FF-CFs的传感器在体内的应用

相关成果以“Super-Elastic Phenylalanine Dipeptide Crystal Fibers Enable Monolithic Stretchable Piezoelectrics for Wearable and Implantable Bioelectronics”为题发表在Advanced Fiber Materials。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00490-w

（来源：Advanced Fiber Materials）