一、研究背景

1. 可穿戴傳感器可連續(xù)監(jiān)測生理參數(shù)、識別健康基線偏差，在個性化健康管理和疾病診斷中潛力顯著；呼吸類疾病加速了智能口罩在普通人群中的應(yīng)用，尤其推動呼吸健康監(jiān)測需求。

2. 電子紡織品（e-textiles）需平衡核心性能：傳感應(yīng)用需高靈敏度、快響應(yīng)速度和可靠性，能量收集/無線通信應(yīng)用需高導(dǎo)電性；現(xiàn)有MXene基墨水存在挑戰(zhàn)：

• 織物多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致墨水印刷不連續(xù)、附著力弱、印刷表面易破損，難以實現(xiàn)高導(dǎo)電性與精細(xì)線路

• 純MXene薄片層間結(jié)合弱、結(jié)構(gòu)缺陷多，機械強度差

• 現(xiàn)有傳感器難以平衡機械柔性與電性能，且多依賴傳統(tǒng)制造（如旋涂、絲網(wǎng)印刷），存在化學(xué)浪費、可重復(fù)性差等問題

• 尚未實現(xiàn)MXene基墨水在織物上3D打印無線器件（如NFC天線）與傳感器的報道

3. 關(guān)鍵材料優(yōu)勢：

• MXene（Ti?C?T?）：金屬導(dǎo)電性、豐富官能團(tuán)（-OH、=O）、可在水等無毒溶劑中分散，兼容多種制造工藝

• 水性聚氨酯（WPU）：環(huán)保無毒、低粘度、附著力強、柔性好，可作為粘結(jié)劑提升納米材料集成度與機械性能

• 仿珍珠層（nacre-mimetic）結(jié)構(gòu)：通過層級有序設(shè)計，可賦予復(fù)合材料優(yōu)異機械性能，適用于仿生電子器件

二、研究內(nèi)容

2.1 MXene/WPU墨水制備與性能優(yōu)化

1. 墨水配方：將Ti?C?T?薄片分散于去離子水中（濃度200 mg/mL，20 wt.%），與不同濃度WPU混合（2000 rpm攪拌5分鐘），最終選擇10 wt.% WPU為最優(yōu)配方。

2. 界面作用機制：WPU與MXene表面官能團(tuán)（-OH）形成動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)（圖1b），實現(xiàn)三大作用：

• 消除層間空隙（SEM截面圖證實，圖2d）

• 保留導(dǎo)電通路

• 提升機械韌性（較純MXene提升12倍）

3. 核心性能（10 wt.% WPU配方）：

• 機械強度：拉伸強度達(dá)~120 MPa（純MXene僅32 MPa，提升275%）

• 導(dǎo)電性：面電阻~1.8 Ω·cm?2（WPU過量會破壞導(dǎo)電通路，如20 wt.% WPU時電阻升至9 Ω·cm?2）

• 生物相容性：人皮膚成纖維細(xì)胞（HDF）存活率>94%（MTT實驗與熒光染色證實，圖6d/e）

• MXene薄片尺寸：0.2-1.5 μm（橫向），~2.4 nm（厚度，AFM測試，圖2b）

2.2 DIW墨水直寫3D打印工藝與可印刷性驗證

1. 3D打印參數(shù)：采用商用噴嘴（直徑150-350 μm），印刷壓力0.5 bar，加熱臺溫度45 ℃，真空干燥12小時（45 ℃）。

2. 流變特性（圖3b/c）：

• 剪切變稀行為：高剪切速率下粘度降低，滿足窄噴嘴擠出需求

• 粘彈性：儲能模量（G'）高，呈固體狀；超過臨界振蕩應(yīng)力（10 Pa）后轉(zhuǎn)為液體狀（G'' > G'），確保印刷后無擴(kuò)散

2.3 織物集成器件制備與性能

（1）NFC天線與無線溫度監(jiān)測

1. 天線設(shè)計：3D打印線圈直徑4.9 cm，線寬0.07 mm，6匝（間距0.09 cm），電感~2.5 μH（圖4a）。

2. 無線功能：嵌入商用溫度傳感器（NHS3100，NXP），通過NFC-enabled智能手機 harvesting電磁能（無需電池），監(jiān)測距離~1 cm，共振頻率13.56 MHz（圖4d）。

（2）織物集成MXene/WPU濕度傳感器

1. 傳感器設(shè)計：在Coolmax織物（快速吸濕排汗）上印刷叉指電極（尺寸1.6×2 cm2，間距1.2 mm），織物預(yù)先浸涂低濃度MXene溶液（5 mg/mL）以提升靈敏度（圖5b/c）。

2. 傳感機制（圖5d）：濕度升高時，MXene層間吸附水分子，層間距擴(kuò)大→電子傳輸減少→電阻增加；濕度降低時層間距收縮→電阻恢復(fù)。

2.4 機器學(xué)習(xí)輔助呼吸模式識別

1. 數(shù)據(jù)采集：將濕度傳感器與NFC天線集成于口罩，采集5種呼吸模式的時間序列數(shù)據(jù)：

• 正常呼吸（NB，周期3 s）、快速呼吸（RB，周期0.5 s）、深呼吸（DB，周期6 s）、呼吸練習(xí)（BE，快吸長呼）、咳嗽（Cg）

三、研究結(jié)論

• 1. 成功開發(fā)MXene/WPU納米復(fù)合墨水，通過氫鍵作用實現(xiàn)仿珍珠層結(jié)構(gòu)，平衡機械強度（120 MPa）與導(dǎo)電性（1.8 Ω·cm?2），且生物相容性優(yōu)異（細(xì)胞存活率>94%）。

• 2. 實現(xiàn)MXene/WPU墨水在織物上的直寫3D打印，制備出高性能器件：

• NFC天線：無需電池，可無線監(jiān)測體溫，200次彎曲后性能穩(wěn)定

• 濕度傳感器：響應(yīng)速度<1秒，高濕度區(qū)間（80-100% RH）靈敏度達(dá)7.6

• 3. 結(jié)合CNN機器學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)5種呼吸模式的識別（準(zhǔn)確率~94%），抗噪性強，可用于實時呼吸健康監(jiān)測（如哮喘、肺炎等疾病預(yù)警）。

• 4. 該技術(shù)為規(guī)?；圃旄咝阅堋⒍喙δ茈娮蛹徔椘诽峁┓桨?，適用于無線醫(yī)療、運動監(jiān)測等領(lǐng)域。

四、論文信息