研究背景

随着柔性电子技术的飞速发展，电子皮肤（E-skin）作为模仿人体皮肤感知功能的关键技术，正在推动人机交互、健康监测和智能机器人等领域的革命性进步。在众多材料中，电纺纳米纤维膜（Electrospun Nanofibrous Membranes, NFMs）因其高比表面积、可调控的孔隙结构、优异的机械柔性和可功能化修饰等特点，成为构建高性能柔性传感器的理想材料之一。通过将电纺纳米纤维与水凝胶、气凝胶、金属等功能材料复合，可显著提升传感器的灵敏度、稳定性与多功能集成能力。

在电纺纳米纤维复合材料的制备过程中，如采用E04型多功能静电纺丝设备，可高效实现多材料协同复合与多维结构精准调控。该设备配备的多针阵列喷头（如四针/八针阵列）支持多材料同轴静电纺丝，适用于制备核壳、中空、Janus等复杂结构纳米纤维；其精准温湿度控制系统（制冷除湿与加湿可选）可优化纺丝环境，避免溶剂挥发过快或湿敏材料失效，保障纤维形貌与性能的稳定性；同时，三通道注射泵与多层同轴喷头（如双层、三层同轴针头）为功能化纳米纤维的原位生长、混合涂覆及多组分复合提供了工艺基础。这些功能直接支持了综述中所述的多孔纤维、核壳结构及导电复合材料的可控制备。

安徽农业大学材料与化学学院朱天雪教授、苏州大学纺织与服装工程学院程丝教授和福州大学化学工程学院赖跃坤教授团队在《Nano-Micro Letters》期刊发布了Recent Progress of Electrospun Nanofiber‑Based Composite Materials for Monitoring Physical,Physiological, and Body Fluid Signals的最新研究成果。该团队通过综述电纺技术、纳米纤维形态及复合材料制备，成功展现其在多信号监测的应用。这一成果为下一代柔性电子设计应用，提供了多功能传感与健康监测技术突破方向。

创新亮点

1. 多材料协同复合，实现性能倍增

本研究首次系统梳理了电纺纳米纤维与水凝胶、气凝胶、金属等多种材料的复合策略，充分发挥各组分优势，实现了力学性能、导电性与生物相容性的协同提升。例如，纳米纤维/水凝胶复合材料既保留了水凝胶的高含水性与生物相容性，又具备纳米纤维的力学增强作用，显著提高了传感器的耐用性与舒适度。

2. 多维结构精准调控，提升信号响应能力

通过调控电纺工艺参数，可制备出核壳结构、多孔结构、中空结构、珠状结构、Janus结构、带状结构等多种微观形态的纳米纤维，从而优化传感器的比表面积、活性位点分布和界面特性，显著增强其对压力、应变、湿度、化学成分等信号的响应灵敏度与准确性。

3. 多功能集成与自供能技术，推动实际应用

研究展示了多种基于电纺纳米纤维的自供能传感器（如压电、摩擦电式），能够从人体运动、呼吸等机械能中获取能量，实现无需外部电源的持续监测。此外，多信号融合与无线传输技术的引入，使得该类传感器在智能医疗、人机交互、运动监测等领域具备广阔的应用前景。

4. 体液信号无创监测，助力精准健康管理

通过功能化修饰的电纺纳米纤维复合材料，可实现对汗液、唾液、尿液和血液中多种生物标志物（如葡萄糖、乳酸、pH、离子、酶等）的高灵敏度检测，为疾病早期诊断与健康管理提供了全新的无创监测方案。

核心实验

1. 电纺技术与纤维结构设计

研究团队系统比较了远场电纺（FFES）、近场电纺（NFES）和熔体电纺（MES）三种技术的优缺点，并成功制备出具有不同微观结构的纳米纤维（如表1、2所示）。例如，通过调控湿度诱导相分离（VIPS）技术，制备出具有树皮状多孔表面的PVDF-TrFE纳米纤维，其输出电压高达85 V，显著优于平滑表面纤维。

2. 功能化纳米纤维的制备策略

研究总结了五种功能化策略：混合法、涂覆法、原位生长法、原位聚合法和碳化法（图4）。例如，通过原位聚合在纤维素纳米纤维表面修饰聚吡咯（PPy），不仅显著提高了导电性，还使其接触角从39°提升至125.6°，实现了疏水性与导电性的双重优化。

3. 纳米纤维复合材料的构建与性能验证

• 纳米纤维/水凝胶复合材料：通过旋涂、滴涂、均质化凝胶化、原位凝胶化等多种方法成功构建了具有高强度、高导电性和抗冻性能的复合水凝胶。
• 纳米纤维/气凝胶复合材料：通过冷冻干燥技术制备出超轻、高弹性的纳米纤维气凝胶，具备优异的压缩回弹性能和传感稳定性。
• 纳米纤维/金属复合材料：利用金属纤维与电纺聚氨酯（PU）纳米纤维复合，构建出具有高导电性和舒适性的表皮电子传感器，成功用于心电图（ECG）监测。

4. 多信号检测与系统集成

研究团队开发了可同时检测压力、温度、湿度、ECG等多种信号的电子手套（e-glove），并通过蓝牙系统实现数据的无线传输与实时显示（图13）。此外，基于Janus结构的纳米纤维膜可实现汗液中多种代谢物（如乳酸、葡萄糖、pH）的同时监测，为运动健康管理提供了全面数据支持。

图文解读

图1：电纺纳米纤维基复合材料在柔性传感器中的关键历史发展概览（2000年至今）

该图以时间轴形式展示了自2000年以来电纺纳米纤维复合材料在柔性传感器领域的重要进展，包括不同年份的代表性材料组合与应用突破，如纳米纤维/水凝胶、纳米纤维/气凝胶等复合结构的演变。

图2：本综述所讨论内容的示意图

该示意图概括了本文的主要讨论方向，包括电纺技术、纳米纤维形态、物理/生理/体液信号监测、以及功能材料集成策略等核心主题。

图3：不同类型电纺纳米纤维的结构与SEM图像

图中展示了六种不同结构的电纺纳米纤维的示意图和扫描电子显微镜（SEM）图像，包括核壳结构、多孔结构、中空结构、珠状结构、Janus结构和带状结构。

图4：导电电纺纳米纤维膜的制备方法

该图详细展示了五种制备导电纳米纤维膜的方法：混合法、涂覆法、原位生长法、原位聚合法和碳化法，并附有相应的工艺示意图和效果图。

图5：纳米纤维/水凝胶复合材料的制备与性能

图中展示了多种纳米纤维/水凝胶复合材料的制备流程、结构形貌（SEM图像）及其在生理信号监测（如肌电信号）中的应用性能对比。

 

图6：纳米纤维/气凝胶复合材料的制备与性能

该图展示了通过均质化冷冻干燥、直接电纺等方法制备的纳米纤维气凝胶的结构、压缩性能及其在压力传感中的应用表现。

图7：纳米纤维/金属复合材料的制备与心电图监测应用

图中展示了以灯笼结构为灵感的皮肤上螺旋互联结构（OSHI）的制备过程、结构细节及其在心电图（ECG）监测中的实际应用效果。

 

图8：基于电纺纳米纤维复合传感器的物理信号监测应用

该图展示了多种物理信号监测场景，包括面部肌肉运动、喉咙吞咽与发音识别、手指与膝关节弯曲检测，以及集成无线传输系统的机器人控制应用。

图9：自供电电纺纳米纤维复合传感器在物理信号监测中的应用

图中展示了一种基于摩擦电效应（TENG）的自供电混合压力传感器（SP-HPS）的结构、灵敏度曲线及其在智能用户身份认证系统中的应用。

 

图10：基于电纺纳米纤维复合传感器的生理信号监测应用

该图展示了纳米纤维复合材料在心电图（ECG）、肌电图（EMG）和眼电图（EOG）等生理信号监测中的实际应用与信号对比。

 

图11：自供电电纺纳米纤维传感器在生理信号监测中的应用

图中展示了一种定向导湿电子皮肤（DMWES）的结构及其在脉搏监测中的应用，以及集成太阳能电池和微超级电容器的自供电传感系统。

 

图12：基于电纺纳米纤维复合传感器的体液信号监测应用

该图展示了用于汗液、唾液、尿液和血液中生物标志物（如乳酸、葡萄糖、pH、ATP、Aβ42等）检测的纳米纤维传感器结构及其检测性能。

结论与展望

本综述系统总结了电纺纳米纤维复合材料在物理、生理和体液信号监测中的最新研究进展，展示了其在健康管理、人机交互等领域的广泛应用潜力。然而，未来在实际推广应用过程中，仍需解决界面兼容性、多信号解耦、生物相容性及环境稳定性等挑战。

若采用E04型多功能静电纺丝设备，其多针混合纺丝、同轴复合纺纱及超声静电雾化功能，可为开发高性能复合传感器提供先进的工艺支持。例如：通过多材料同轴纺丝可制备具有梯度界面或Janus结构的纤维膜，增强界面结合与信号隔离能力；通过集成超声喷雾功能可实现纳米纤维与金属颗粒或导电聚合物的均匀复合，提升传感器的导电性与生物相容性；而设备的数据记录与环境控制系统则有助于实现工艺参数的精准复现与材料性能优化，推动绿色、可降解传感器材料的开发。

未来，结合此类多功能纺丝设备的技术优势，电纺纳米纤维复合材料有望在智能健康监测、软体机器人等领域发挥更大作用，推动柔性电子技术向更智能、人性化的方向发展。

 文章来源：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01804-2