西安电子科技大学杭州研究院周赟磊副教授课题组提出了一种可扩展的、基于溶液沉积的制造策略，成功开发出可拉伸的一维多功能纤维。该纤维集成了电化学稳定的液态金属导电通路与组织接口电极，能够在拉伸和弯曲状态下保持优异的导电性能，并具备更低的阻抗和更高的信号稳定性。它不仅可用于表皮电生理信号监测，还能实现体内神经刺激与无线能量传输，为下一代一维生物电子学提供了一个强大的平台。

相关论文以“Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | 可拉伸多功能1D纤维的设计。 a. 传统粘贴式电极贴片在透气性、粘附性丧失和集成度方面的局限性。b. 所开发的导电纤维具有传感和刺激能力。扭曲的多通道传感纤维展示了增强的透气性和集成布线。c. 通过多重化学沉积合成纤维电子器件作为导电路径。d. 光学图像显示在逐层沉积过程中，纤维上PU、PDA、AgNPs、Cu和液态金属涂层的各层。e-g. 导电纤维在扭曲、拉伸和弯曲状态下的照片。h-i. 纤维导电性演示：在正常和拉伸状态下LED照明。j. 导电纤维作为1D电子器件的多功能性，包括生物电子传感和刺激，展示了在可穿戴设备和集成健康监测系统中的潜在用途。 

研究团队首先通过化学溶液沉积工艺，在热塑性聚氨酯纤维核心上构建了均匀的液态金属导电层。为了解决液态金属与聚合物的粘附难题，研究人员依次沉积了聚多巴胺粘附层、银纳米颗粒种子层和铜层。当将这种纤维浸入稀盐酸中的液态金属时，铜层与液态金属发生合金化反应，形成了连续且高导电性的通路（图2a-b）。接触角实验显示，铜涂层将液态金属的接触角从原始聚氨酯基底的119.7°显著降低至36.5°（图2c），证实了合金化反应对浸润性的关键作用。扫描电镜与元素分布图清晰地展示了各层材料的均匀沉积（图2d），X射线光电子能谱与X射线衍射分析也进一步验证了银、铜及铜-镓金属间化合物的成功形成（图2e-f）。封装后的纤维展现出高达250%的拉伸性，在200%应变下电阻仅增加9倍（图2i-j），且在磷酸盐缓冲盐水溶液中浸泡后，由于SEBS弹性体的保护，电阻几乎保持不变，显著提升了液态金属在生理环境中的长期稳定性（图2k-l）。

图2 | 可拉伸液态金属层的制备与表征。 a. 纤维结构上Cu涂层与液态金属液滴之间合金化过程的示意图。b. 纤维从Cu涂层到液态金属的合金化过程照片。c. 液态金属液滴在PU基底（上）和化学沉积Cu膜（下）上的接触角图像。d. 逐层组装过程中各种纤维表面的SEM图像和元素分布图。e. 不同涂层阶段纤维的XPS光谱。f. 具有Cu涂层以及与液态金属合金化后纤维的XRD图谱。g. 防水性和导电性机制示意图，描述了通过封装阻止水渗透，同时电子沿路径通过纤维传输。h. 用聚合物液滴封装液态金属纤维的过程图像。i. 应力-应变曲线显示导电纤维的可拉伸性。j. 归一化电阻随单轴拉伸应变的变化。k. 浸入PBS溶液中的液态金属特征的归一化电阻演变。插图：显示化学腐蚀视觉特征的图像。l. 沿具有可编程封装的纤维进行电压测量。 

为了实现对生物组织的稳定信号感知与刺激，研究团队在液态金属纤维的特定区域构建了由多壁碳纳米管和PEDOT:PSS组成的惰性电极层（图3a-b）。这种复合电极结构结合了液态金属的高导电性与碳纳米材料优异的电化学稳定性。扫描电镜及元素分布图显示PEDOT:PSS均匀沉积（图3c），其电化学稳定窗口宽达-1.85V至2.15V，远超裸液态金属纤维（图3d）。循环伏安测试表明，PEDOT:PSS修饰后的电极具有更大的电流响应和优异的循环稳定性（图3e）。电化学阻抗谱测试结果显示，PEDOT:PSS层将电极阻抗降低了两个数量级，且相位角趋近于0°，表现出理想的电阻特性（图3g）。在30%应变下经过1000次拉伸循环后，电极在1kHz下的阻抗几乎没有变化，证明了其卓越的机械与电气耐久性（图3i）。

图3 | 可拉伸纤维电极的制备与表征。 a. 通过沉积方法实现集成电极和导电区域的1D多功能材料示意图，用于电子传感和传输。b. PEDOT和PSS的导电聚合物网络。c. PEDOT-CNT纤维的SEM图像，插图为硫的元素分布图。d. CNT/PEDOT:PSS纤维与裸液态金属纤维的电化学稳定性测试对比。e. 裸CNT纤维电极和PEDOT:PSS包覆纤维电极在多次循环下的循环伏安曲线。f. 电极在单轴拉伸应变下的归一化电阻。主图：归一化电阻随应变的变化；插图：在0%至50%应变下1000次拉伸循环中归一化电阻的变化。g. 纤维电极在原始状态和经PEDOT:PSS层修饰后的阻抗和相角谱。h. 拉伸条件下PEDOT纤维电极阻抗的变化。数据以（点）平均值和（误差线）标准差表示；n=6个生物学独立样本。i. 在30%应变下进行1000次拉伸循环前后，1kHz频率下阻抗的比较。条形高度表示平均值；误差线表示标准差；n=5个生物学独立样本。 

凭借其纤维状结构，该多功能纤维可通过刺绣技术无缝集成到纺织品中，用于无线能量传输。研究发现，由液态金属纤维刺绣而成的射频电感器，在弯曲、扭转和冲击下电阻保持恒定（图4c），其品质因数在宽频率范围内与商用铜线相当（图4f）。在耐久性测试中，液态金属纤维在300次弯曲循环后电阻变化仅约10%，而铜线在100次循环后即发生断裂（图4g），展现了其优异的抗机械疲劳性能。此外，封装后的纤维具有良好的防水性，即使在水滴存在的情况下也能稳定地为发光二极管供电（图4e），为构建耐用、舒适的穿戴式电子系统提供了新思路。

图4 | 多功能纤维刺绣电子纺织品的无线能量传输。 a. 通过导电液态金属纤维刺绣柔性电子纺织品的示意图。插图示出了导电纤维。b. 照片展示了电子纺织品的柔韧性和可拉伸性，包括弯曲、扭曲和拉伸。c. 纺织品电感器的电阻随弯曲、扭曲和锤击等机械变形而变化。d. 电子纺织品贴合人体皮肤的照片。比例尺，2 cm。e. 在有水存在的情况下，通过电子纺织品传输能量为LED供电的演示。比例尺，1 cm。f. 刺绣铜线和液态金属纤维电感器测得的品质因数Q。g. 归一化电阻随循环弯曲次数的变化。h. 第一次和最后一次弯曲循环期间的归一化电阻。 

在电生理监测应用中，该多功能纤维展现出了卓越的性能。通过预应变方式贴附于皮肤后，纤维电极能形成稳定的电气接口，并保持良好的透气性和防水性（图5b-c）。与传统电极相比，纤维电极在出汗条件下记录的 ECG信号无基线漂移，清晰呈现了P波、QRS波群和T波（图5d），并在运动状态下有效抑制了运动伪迹（图5e）。在EMG信号记录中，纤维电极在干、湿条件下均保持了高信噪比，显著优于传统Ag/AgCl凝胶电极（图5j）。通过四通道EMG信号记录不同手势，结合机器学习算法，该系统对动作识别的平均准确率高达99.6%（图5m），展示了其在人机交互与精细运动分类中的巨大潜力。

图5 | 用于表皮电生理监测的多功能纤维电子器件。 a. 纤维电子器件应用于皮肤表面ECG监测的示意图。b. 通过预应变将纤维电子器件与皮肤集成，展示透气性和防水性。c. 佩戴在前臂上的电极的透气性。d. 传统电极（黑色）和纤维电极（红色）记录的ECG信号比较。e. 运动伪影期间的ECG信号。f. 通过纤维电子器件记录的运动前和运动后的实时心率和相应的ECG信号。g. 体内电生理信号传输以及通过纤维电子器件作为EMG输出进行监测的示意图。h. 传统电子器件和纤维电子器件的EMG信号采集设置比较。i. 不同条件下肌肉收缩期间的EMG信号。j. 干燥和潮湿条件下EMG信号的信噪比。条形高度表示平均值；误差线表示标准差；n=6个生物学独立样本。k. 不同力量肌肉收缩下的EMG信号。l. 手部运动期间的多通道EMG信号记录。m. 通过EMG信号进行手势分类准确率的混淆矩阵。 

研究团队进一步在活体大鼠模型中验证了该纤维的神经刺激能力。将纤维电极包裹在坐骨神经上（图6a-b），通过施加电脉冲，成功诱导了后肢肌肉的规律性收缩（图6c-d）。实验结果表明，在1Hz至5Hz的低频刺激下，后肢表现出稳定的周期性屈伸（图6d）；在200mV至500mV的电压范围内，运动角度随电压增加而显著增大，刺激成功率在200mV以上接近100%（图6g）。更重要的是，在磷酸盐缓冲盐水中浸泡两天后，纤维电极的刺激性能没有明显下降（图6h），证明了其在生理环境中的功能稳定性。通过HEK293T细胞的活/死染色与CCK-8 assay验证，该纤维电子器件展现出优异的生物相容性，对细胞活力影响极小（图6i-j）。

图6 | 用于体内神经刺激的多功能纤维电子器件。 a. 使用纤维电极进行体内神经刺激实验的示意图。b. 图像序列显示纤维电极在坐骨神经上的放置以及绑定连接。c. 大鼠后肢在纤维电子器件对坐骨神经进行电生理刺激前（左）和后（右）的图像。d. 在1 Hz和5 Hz电生理刺激期间大鼠后肢的连续运动轨迹追踪。e. 在200 mV和500 mV电压脉冲下，不同刺激频率下后肢运动的响应（n=4）。f. 500 mV电压脉冲下纤维电子器件的刺激成功率。数据以（点）平均值和（误差线）标准差表示；n=5个生物学独立样本。g. 不同刺激电压下纤维电极的后肢运动角度和刺激成功率。数据以（点）平均值和（误差线）标准差表示；n=4个生物学独立样本。h. 初始状态和在PBS中浸泡2天后，在200 mV和500 mV下纤维电子器件的后肢运动角度和刺激成功率。条形高度表示平均值；误差线表示标准差；n=4个生物学独立样本。i. 包括导电部分和电极在内的纤维电子器件的生物相容性测定。j. HEK293T细胞归一化荧光强度图表明纤维电子器件对细胞活化产生的细胞毒性作用极小。数据表示为平均值±标准差（n=5）。

综上所述，这项研究通过一种可扩展的溶液化学沉积策略，成功构建了兼具高导电性、机械耐久性和电化学稳定性的可拉伸一维多功能纤维。其核心创新在于通过合金化反应实现了液态金属在纤维上的均匀涂覆，并通过分层封装策略分别确保了导电通路的稳定性和电极界面的生物相容性。该平台在表皮电生理监测中实现了高精度、抗干扰的信号采集，在体内神经刺激中展现了对肌肉运动的精准调控，并能集成于纺织品实现稳定的无线能量传输。这种多功能的1D生物电子纤维，凭借其优异的综合性能与规模化制造潜力，有望推动下一代可穿戴设备、智能缝合线、微创医疗及人机接口技术的蓬勃发展，为实现长期、稳定、舒适的体内外生物电子交互开辟了新路径。