基于细胞壁纳米工程构建高各向异性快速响应木质电子皮肤及其在人体运动监测中的应用

为解决传统电子皮肤机械强度低、响应速度慢和各向异性不足的问题，研究人员通过细胞壁纳米工程技术选择性水解木材细胞壁，构建了具有多尺度复合交联网络结构的木质电子皮肤(wood-based e-skin)。该材料纵向拉伸强度达6.79 MPa，响应时间仅1190 ms，可精准监测人体关节运动频率，为柔性传感器领域提供了新突破。

　　

在人体运动监测和虚拟现实交互等领域，电子皮肤(e-skin)的发展面临重大挑战。传统水凝胶传感器虽具有柔性和生物相容性优势，但存在机械强度低(通常<1 MPa)、响应速度慢(>2000 ms)和各向同性等缺陷。更棘手的是，现有材料往往需要复杂工艺引入导电组分(如金纳米线或MXene)，导致制备效率低下。这些问题严重制约了电子皮肤在精准医疗和人机交互等领域的应用。

针对这些瓶颈，内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院Jiaxing Chen团队创新性地从天然木材中获取灵感。木材独特的纤维素取向结构和微纳米通道为各向异性导电提供了天然模板。研究人员通过细胞壁纳米工程(cell wall nanoengineering)这一关键技术，选择性水解半纤维素和木质素，保留纤维素骨架的刚性结构，同时暴露出大量亲水位点。随后将含磺酸基团(SO₃^2-)和钾离子(K⁺)的3-磺丙基丙烯酸钾盐(SPA)水凝胶前驱体溶液真空浸渍到木材孔隙中，通过紫外光引发原位聚合，构建出具有多尺度交联网络的木质电子皮肤。这项突破性成果发表在《Industrial Crops and Products》上，为开发高性能生物基柔性电子器件提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 通过碱处理和亚氯酸钠分步去除木材中的半纤维素和木质素；2) 采用真空浸渍法将SPA水凝胶前驱体(含交联剂MBAA和光引发剂LAP)注入木材孔隙；3) 365 nm紫外光引发聚合构建复合网络；4) 结合SAXS、XRD和XPS等多尺度表征技术解析材料结构；5) 通过电子万能试验机和LCR电桥系统评估力学与传感性能。

3.1 材料设计与结构表征

研究团队首先通过化学处理将巴沙木(Ochroma pyramidale)转变为白色脱木素木材，SEM显示其孔隙率显著增加(图2)。SAXS分析证实材料保留木材天然各向异性(图3a)，FTIR谱图中1720 cm^-1处酯键特征峰的消失验证了半纤维素的成功去除(图3b)。XPS检测到S 2p和K 2p特征峰(图3d)，证实SPA水凝胶与纤维素骨架的成功复合。

3.2 力学性能突破

该木质电子皮肤展现出惊人的力学各向异性：纵向(L向)拉伸强度达6.79 MPa，是径向(R向)的13.6倍(图4a)。这种差异源于木材细胞的有序排列，其纵向弹性模量高达98.61 MPa，远超传统水凝胶(<1 MPa)。300次25%应变循环测试后，应力-应变曲线仍保持高度重合(图4f)，证明其优异疲劳抗性。材料可承受扭曲、折叠等多种变形(图4h)，满足可穿戴设备需求。

3.3 卓越传感性能

在0-100%应变范围内，灵敏度系数(GF)为0.032，线性度R²=0.994(图5a)。响应速度达1190 ms(图5b)，比常规水凝胶快40%。180次循环后电阻变化仍保持稳定(图5f)，这种稳定性源于SPA中K⁺/SO₃^2-的定向迁移机制。实际应用中，该材料可精准捕捉颈椎、肘关节等部位的运动频率(图6)，且具备完全生物降解性。

这项研究通过仿生策略将木材的力学优势与水凝胶的功能特性完美结合。所开发的木质电子皮肤不仅解决了传统传感器强度与柔性难以兼顾的矛盾，其1190 ms的快速响应和98.61 MPa的高模量更是创下生物基柔性电子器件的性能纪录。更重要的是，整个制备过程仅需紫外光聚合一步反应，相比需要后修饰导电组分的传统工艺，效率提升显著。该成果为开发新一代可持续柔性电子设备提供了重要参考，在智能医疗、运动康复等领域具有广阔应用前景。未来通过调控木材种类和孔隙结构，还可进一步优化材料性能，推动生物基电子材料走向实际应用。