一、研究背景

柔性電子產(chǎn)品指的是一類電子設備和電路，它們被設計成可彎曲、可拉伸和適應不同的表面。制造柔性電子產(chǎn)品需要柔性基板的設計，固有軟材料的識別，以及技術的進步，以促進在這些柔性基板上形成導電網(wǎng)絡。與由玻璃或硅晶圓襯底等材料制成的傳統(tǒng)剛性電子產(chǎn)品不同，柔性電子產(chǎn)品利用柔性襯底和非常規(guī)制造技術在不影響電氣性能的情況下實現(xiàn)機械靈活性。此外，導電材料和柔性襯底的結合可以協(xié)同提高電子產(chǎn)品的機械和電氣特性。因此，它們被廣泛應用于制造柔性顯示器，傳感器，人造皮膚，電池，電容器，植入式生物電子學等。

在過去的二十年中，基于各種傳統(tǒng)薄膜襯底的柔性電子產(chǎn)品，包括聚酰亞胺（PI），聚萘二甲酸乙二醇酯和彈性體（例如，聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex），已經(jīng)取得了重大進展。然而，典型的柔性薄膜電子產(chǎn)品通常表現(xiàn)出有限的透氣性和透濕性，影響穿著舒適性，特別是在長期身體監(jiān)測期間。研究表明，長時間的皮膚和組織附著會引起熱生理不適，如潮濕、潮濕和皮膚炎癥。在更嚴重的情況下，由于設備滲透性不足，體內植入可能導致惡性腫瘤。

目前，越來越多的人倡導具有長期、連續(xù)和可靠性能的超軟、可滲透和可拉伸電子產(chǎn)品。這些柔性電子器件可以在多孔彈性體襯底上制造，具有優(yōu)異的柔韌性和高的濕氣、空氣和液體滲透性。靜電紡納米纖維具有優(yōu)異的透氣性、皮膚適應性、柔韌性和可調的機械性能，能夠制造柔軟、舒適的電子設備。這種靈活性使設備能夠無縫集成到各種形狀和表面，增強了它們的適應性和可用性。為了實現(xiàn)柔性電子設備與皮膚之間理想的3D界面，需要滿足三個條件：(i)柔性電子設備具有出色的保形能力，可實現(xiàn)大面積皮膚集成；（ii）高性能電子設備能夠實現(xiàn)高質量的電生理信號采集；（iii）良好的生物相容性和透氣性，作為長期可穿戴性的基礎。

通過靜電紡絲設備制備的電紡納米纖維具有極高的比表面積和體積比，有利于促進器件的高效電荷輸運，提高器件的靈敏度和響應時間。電紡納米纖維的多孔結構不僅有利于功能材料（如導電聚合物、納米顆粒和生物分子）的摻入，而且有效地模擬了各種細胞外基質。此外，靜電紡絲的可擴展性和成本效益使其適用于柔性電子元件的大規(guī)模生產(chǎn)，增強了其通用性和應用潛力。通過摻雜不同的組分，可以實現(xiàn)增強的機械和電氣性能，從而擴大其在柔性模塊中的應用范圍。因此，盡管許多應用仍處于實驗或早期開發(fā)階段，但基于電紡納米纖維的電子學在廣泛的應用領域提供了巨大的機會，包括但不限于個性化生物傳感器，張力電極，電容傳感器，摩擦傳感器，壓電傳感器和納米發(fā)電機。

本文重點介紹了利用靜電紡納米纖維的適應性和柔性電子器件的進展，并深入探討了其多樣化和創(chuàng)新應用的潛在途徑。介紹了靜電紡絲技術制備納米纖維的原料類型。然后，本文對主要使用電紡納米纖維作為襯底的柔性傳感器（生物傳感器、壓力傳感器和其他傳感器）、柔性能量傳感器（能量收集器、電池和超級電容器）和其他柔性器件（柔性顯示器和晶體管）進行了深入的研究。目的是闡明這些器件的細節(jié)和功能，全面了解電紡納米纖維在該領域的能力和啟發(fā)創(chuàng)新思想。最后，綜述對電紡柔性電子未來面臨的挑戰(zhàn)進行了展望，并提出了解決這些問題的可行解決方案。

二、摘要

電紡納米纖維具有透氣性、柔韌性、伸展性和對三維曲面的順應性，因此已成為制造柔性電子設備的重要組成部分。本綜述深入探討了以電紡納米纖維為基底的適應性柔性電子器件的發(fā)展，并探討了其多樣化的創(chuàng)新應用。綜述了柔性設備關鍵基材的主要發(fā)展情況。在簡要討論了電紡原理、影響電紡的工藝參數(shù)和兩種主要電紡技術（即單流體電紡和多流體電紡）之后，綜述重點介紹了基于電紡基底的多功能和可拉伸電子器件的最新突破。這些進展包括柔性傳感器、柔性能量收集和存儲設備、電子設備的柔性附件以及柔性環(huán)境監(jiān)測設備。本綜述特別概述了開發(fā)用于柔性電子設備的電紡納米纖維所面臨的挑戰(zhàn)和潛在的解決方案，包括克服多種界面的不兼容性、開發(fā)具有梯度幾何形狀的三維微結構傳感器陣列以用于各種不易察覺的皮膚設備等。本綜述可幫助讀者全面了解基于電紡納米纖維的面向應用的柔性電子器件的合理設計。

三、結論

靜電紡絲柔性電子產(chǎn)品代表了一種創(chuàng)新技術，它將靜電紡絲和柔性電子產(chǎn)品的優(yōu)點結合在一起，適用于各種應用。這些設備利用靜電紡絲來生產(chǎn)納米級纖維或薄膜襯底，從而制造出本質上可拉伸的電子產(chǎn)品，包括高靈敏度壓力傳感器、高效能量收集器和具有皮膚機械性能的智能響應可穿戴設備。靜電紡絲是一種高效、簡單、可擴展的生產(chǎn)納米纖維的方法，非常適合于制造柔性電子器件。通過調制納米纖維的形態(tài)、直徑和結構，人們可以優(yōu)化材料的性能，如導電性、機械柔韌性和化學穩(wěn)定性，為制造靜電紡柔性電子產(chǎn)品提供了廣泛的機會。雖然在開發(fā)電紡絲柔性電子器件方面取得了重大進展，但在當前和未來的努力中仍然存在挑戰(zhàn)。

主要的挑戰(zhàn)是克服多個界面的不兼容性，包括(i)不同材料之間的納米和微尺度界面，（ii）層或微結構之間的中尺度界面，以及（iii）涉及單元器件、襯底、電連接和皮膚的宏觀尺度界面。在粗糙的纖維表面上制造納米電子器件仍然很困難，這阻礙了器件的性能。柔性設備必須在重復折疊和拉伸期間保持高性能。形成這些界面的分子、納米結構、微觀結構、多層和單元器件表現(xiàn)出不同的模量和機械滯后。因此，有必要根據(jù)適當?shù)奈锢沓叨葘@些界面進行系統(tǒng)的研究。一個潛在的解決方案是實現(xiàn)對納米纖維制備過程的精確控制，或將其與額外的微加工技術相結合，以確保靜電紡納米纖維的結構穩(wěn)定性和強大的機械強度。例如，為了克服多個界面的不兼容性，Xu等人提出了一種基于圖章的傳輸方案，用于將高性能微機械多功能kirigami傳感器與多孔柔性靜電紡苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯納米纖維襯底混合集成。kirigami結構是通過使用激光在納米纖維基板上進行精確切割來設計的，以形成透氣和保形電子膜的圖案。結合印章轉移技術的制造策略有效地減輕了平面微電子器件與多孔基板之間的加工不兼容性。kirigami結構的設計增強了納米纖維基板的可拉伸性和一致性，允許與皮膚無縫集成。該研究為設計先進的微加工技術來開發(fā)高精度的電生理信號捕獲生物傳感器提供了一條潛在的途徑。

圖1.多種基于電紡納米纖維的柔性電子產(chǎn)品，用于多種應用

圖2.(a) 電紡絲基本實驗裝置示意圖。(b) 基于流體量的針式電紡絲裝置分類。(c) 乳化液電紡示意圖。(d) 無針電紡的典型設備。(e) 同軸電紡或改良同軸電紡的基本設置示意圖。 (f) 并排電紡示意圖、并排噴絲板的設計細節(jié)以及并排噴絲板的圖像。