可拉伸的一维（1D）多功能纤维具有优异的柔韧性、各向同性形变性、透气性和轻质特性，在可穿戴系统、智能缝合线和微创医疗器械等新兴领域展现出巨大的应用潜力。尽管纺织电子在可穿戴应用领域已取得显著成功，但单根纤维在某些特定应用中仍具有更优异的特性。其固有的柔韧性、稳定的导电性、传感能力以及在动态环境中可靠的信号传输，使其非常适合将生物组织整合为功能平台。导电性是多功能纤维的基本要求，而开发可拉伸一维导体的常用策略是采用混合或涂覆方法，将弹性聚合物基底与导电纳米材料协同整合。无论选择何种材料，导电填料之间的电接触都是决定导电性的关键因素。然而，在拉伸过程中，导电材料与基体之间的力学性能不匹配，以及填料的分离，会导致导电性显著下降。此外，可拉伸的一维导体必须展现出动态导电性并确保稳定的电化学性能，以便在体内环境中进行长期可靠的动态监测。制备满足导电性、可扩展性和稳定电化学性能要求的可拉伸纤维仍然是一项挑战。

近期，西安电子科技大学周赟磊副教授团队开发了一种溶液沉积制备策略，可规模化、低成本地制备集成了电化学稳定型组织界面电极的可拉伸液态金属纤维，进而成功制得可拉伸多功能纤维。该纤维将电极与导电通路无缝整合为单一结构，可应用于多种场景，包括电生理信号传感、体内神经刺激以及无线能量传输。这种多功能纤维在受力状态下的电学性能得到显著提升，在拉伸和弯曲过程中仍能保持导电性，且阻抗更低、信号稳定性更高，在生理监测和电刺激应用中表现尤为突出。该纤维具备优异的生物相容性和机械顺应性，非常适用于可穿戴系统和长期生物医学应用，为下一代一维生物电子器件搭建了坚实的技术平台。相关研究内容以“Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation”为题目发表在期刊《Nature Communications》上。

图1. 可拉伸多功能一维纤维的设计。a 传统生物电子贴片存在透气性、粘附性损失和集成性方面的局限性。b 所开发的导电纤维具有传感和刺激功能。扭曲的多通道传感纤维展现出增强的透气性和集成布线。c 通过多化学沉积法合成纤维电子器件，形成导电通路。d 光学图像显示了纤维上逐步沉积的 PU、PDA、AgNPs、Cu 和液态金属涂层层。e–g 导电纤维扭曲、拉伸和弯曲状态的照片。h、i 纤维在正常和拉伸状态下对 LED 照明的导电性演示。j 导电纤维作为一维电子器件的多功能性，包括生物电子传感和刺激，展示了其在可穿戴设备和集成健康监测系统中的潜在应用。

核心工艺创新点

研究通过Cu - 液态金属合金化反应解决粘附性问题，核心创新为 “PDA 表面功能化+化学沉积 Cu 层+盐酸中合金化” 的组合工艺：首先利用多巴胺自聚形成 PDA 层，为 AgNP 和 Cu 层提供均匀粘附的活性位点；化学沉积的 Cu 层作为中间层，在稀盐酸中与镓基液态金属发生合金化反应，形成 CuGa/CuGa₂金属间化合物，使液态金属在纤维表面的接触角从 119.7° 降至 36.5°，大幅提升润湿性和粘附性；同时该工艺为溶液法，突破了传统注射/热拉伸法的尺寸限制，实现 50–100 μm 微尺度纤维制备。

图2. 可拉伸液态金属层的制备和表征。a Cu 涂层与纤维结构上液态金属液滴合金化过程的示意图。 b. 从铜涂层到液态金属的纤维合金化过程照片。c. 液态金属液滴在PU基底（上图）和化学沉积铜膜（下图）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. 不同涂层阶段的纤维XPS光谱。f. 铜涂层纤维和液态金属合金化后纤维的XRD图谱。g. 防水和导电机制示意图，描述了通过封装阻止H₂O进入纤维，同时电子沿路径在纤维中传输的过程。h. 液态金属纤维与聚合物液滴的封装过程图像。i. 指示导电纤维拉伸性的应力-应变曲线。j. 归一化电阻随单轴拉伸应变的变化曲线。k. 浸入PBS溶液中的液态金属结构的归一化电阻变化曲线。插图：显示化学腐蚀视觉特征的图像。l. 沿可编程封装的纤维进行电压测量。

可拉伸多功能纤维在电性能和机械性能上的核心优势

电性能核心优势为高电导率、低阻抗、动态变形下稳定性高、电化学窗口宽，关键指标：合金化后电导率达 39623 S・cm⁻¹，CNT/PEDOT:PSS 电极修饰后 1kHz 下阻抗降低两个数量级，电化学稳定窗口 - 1.85~2.15 V，250% 拉伸时仍保持低电阻（200% 拉伸电阻仅提升 9 倍）。机械性能核心优势为高拉伸性、优异的抗疲劳性和结构稳定性，关键指标：最大拉伸率 250%，经 1000 次 30% 拉伸循环、400 次弯曲循环后阻抗无明显变化，反复扭转/锤击后无结构开裂、分层，显著优于传统铜线导体。

图3. 可拉伸纤维电极的制备与表征。a. 利用集成电极和导电区域，通过沉积法制备的一维多功能结构示意图，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涂覆纤维电极在多次循环下的循环伏安(CV)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PEDOT:PSS层修饰后的阻抗谱和相位角谱。 h PEDOT纤维电极在拉伸条件下的阻抗变化。数据以（点）平均值和（误差线）标准差（SD）表示；n = 6个生物学独立样本。i 比较1 kHz频率下，30%应变下拉伸1000次循环前后的阻抗。柱状图高度代表平均值；误差线代表标准差（s.d.）；n = 5个生物学独立样本。

该多功能纤维在生物电子领域的核心应用场景：

核心应用场景包括体表电生理监测、体内神经电刺激、可穿戴无线能量传输三大类，各场景突破点和性能表现如下：

体表电生理监测（ECG/EMG）：突破传统凝胶电极透气差、抗运动伪影弱的问题，实现动态环境下高保真信号采集，潮湿环境下信噪比高于传统电极，多通道 EMG 手势识别准确率达 99.5%；

体内神经电刺激：突破传统硬质电极与生物组织力学失配的问题，纤维可贴合缠绕坐骨神经，1–10 Hz 低频率下刺激成功率近 100%，PBS 中浸泡 2 天性能无衰减，生物相容性优异；

可穿戴无线能量传输：突破传统导电纺织品耐久性差、防水性弱的问题，通过刺绣集成到纺织品，Q 因子媲美铜线，400 次弯曲无断裂，水中可稳定供电，实现柔性可穿戴的无线能量传输。

图4. 多功能纤维刺绣电子纺织天线的无线能量传输。a 通过导电液态金属纤维刺绣柔性电子纺织品的工艺示意图。插图显示了导电纤维。b 展示电子纺织品柔韧性和可拉伸性的照片，包括弯曲、扭转和拉伸。c 纺织电感器的电阻随机械形变（如弯曲、扭转和锤击）的变化。d 电子纺织品贴合人体皮肤的照片。比例尺：2 cm。 e 演示在有水存在的情况下，通过电子纺织品向 LED 供电的能量传输。比例尺，1 厘米。f 刺绣铜线和液态金属纤维电感器的测量品质因数 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。

图5. 用于表皮电生理监测的多功能光纤电子器件。a. 应用于皮肤表面心电图监测的光纤电子器件示意图。b. 通过预应力将光纤电子器件与皮肤集成，展现出良好的透气性和防水性。c. 佩戴在前臂上的电极的透气性。d. 传统电极（黑色）和光纤电极（红色）记录的心电信号对比。e. 运动伪影期间的心电信号。f. 运动前后通过光纤电子器件记录的实时心率和相应的心电信号。g. 体内电生理信号传输及通过光纤电子器件作为肌电图输出进行监测的示意图。h. 传统电极和光纤电子器件的肌电信号采集装置对比。i. 不同条件下肌肉收缩期间的肌电信号。j. 干湿条件下肌电信号的信噪比。柱状图高度代表平均值；误差线代表标准差；n = 6 个生物学独立样本。k. 不同力下肌肉收缩时的肌电信号。l. 手部运动期间的多通道肌电信号记录。 m. 基于肌电信号对手势进行分类的混淆矩阵。

图6. 用于体内神经刺激的多功能光纤电子器件。a. 使用光纤电极进行体内神经刺激实验的示意图。b. 显示光纤电极在坐骨神经上的位置和连接方式的连续图像。c. 大鼠后肢在光纤电子器件对坐骨神经进行电生理刺激之前（左）和之后（中）的图像。d. 在 1 Hz 和 5 Hz 电生理刺激下，大鼠后肢的连续运动轨迹。e. 后肢在不同刺激频率下，电压脉冲分别为 200 mV 和 500 mV 时的刺激响应（n = 4）。f. 500 mV 电压脉冲下光纤电子器件的刺激成功率。数据以平均值（点）和标准差（误差线）表示；n = 5 个生物学独立样本。g. 不同刺激电压下，后肢运动角度和刺激成功率。h 纤维电子器件在初始状态以及在 200 mV 和 500 mV PBS 缓冲液中浸泡 2 天后，后肢运动角度和刺激成功率。柱状图高度代表平均值；误差线代表标准差（s.d.）；n = 4 个生物学独立样本。i 纤维电子器件（包括导电层和电极）的生物相容性测试。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的细胞毒性作用极小。数据以平均值 ± 标准差（n = 5）表示。****P < 0.0001。

结论

本研究提出了一种基于溶液法的规模化化学沉积策略，成功制备出兼具高导电性与机械耐久性的可拉伸一维多功能纤维。系统的材料表征证实，液态金属实现了有效沉积与合金化；而封装层的引入进一步提升了纤维的机械鲁棒性，可有效防止生理环境下液态金属的渗漏、化学腐蚀与力学降解。为适配复杂严苛的应用环境，本研究将纤维电极设计为碳纳米导电材料包覆聚 (3,4 - 乙烯二氧噻吩)- 聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的惰性复合材料结构。尽管惰性电极在拉伸应变下的电阻增幅大于液态金属电极，但实际检测条件下的电化学阻抗主要由界面接触效应主导，因此电极拉伸态与原始态的阻抗差异可忽略不计。未来若能进一步实现液态金属电极的本征电化学稳定性，纤维电极的整体性能将得到进一步提升。

在体外实验与体表穿戴应用中，该纤维电极可稳定采集心电图、肌电图等电生理信号，兼具抗运动伪影、高透气性与强防水性的优势。进一步的多通道实验表明，基于该纤维的检测系统可实现实时运动与手势的精准分类，平均识别准确率达 99.6%，充分证明其在高端生理监测与运动追踪领域的应用潜力。体内神经刺激研究证实，该纤维电极可与坐骨神经形成稳定的界面连接，能以较高的刺激效率实现对后肢肌肉收缩的精准调控。长期稳定性测试显示，电极在模拟生理液中长时间浸泡后仍能保持原有性能；生物相容性实验则表明其细胞毒性极低。上述研究结果充分证实，这种多功能纤维兼具安全性与实用性，可广泛应用于植入式与穿戴式生物医学器件领域。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70178-9