2026年8月21日，该工作以“Hierarchy-Preserving Conductive Collagen Filaments for Wearable Bioelectronics” 为题，发表于Advanced Functional Materials。我院省生物质资源与材料国际联合实验室博士生李佳祺为论文第一作者，裴莹教授和复旦大学凌盛杰教授为共同通讯作者，郑州大学为第一通讯单位。
纤维基可穿戴电子可直接编织入织物，兼具柔软亲肤、穿戴舒适的特点，是智能纺织重要发展方向。现有多数纤维传感器采用合成高分子、弹性体作为基材，对材料骨架、导电网络、形变结构分别开展优化，能够实现良好的实验室传感性能，但在兼顾力学耐久性、生物相容性与环境可持续性方面仍存在提升空间。胶原蛋白作为动物体内主要结构蛋白，生物相容性、可降解性优异，具备多尺度天然层次结构。但柔性电子领域常用的薄膜、水凝胶等加工方式，易破坏胶原介观聚集结构，损失其本征力学优势。因此，如何把天然胶原聚集体加工成连续、力学可靠的功能纤维，成为制备胶原基纤维器件的核心难题。另外，在不牺牲纤维柔顺性的前提下构建稳定导电界面同样存在挑战。MXene虽综合性能优异，但传统改性手段常依赖厚涂层、粘结剂，会损害纤维柔性。黄瓜卷须的螺旋结构为耐应变纤维提供仿生思路，然而生物基纤维中，天然层次结构、导电界面、拓扑构型三者协同对形变与机电响应的调控规律，仍缺乏系统研究。为此，本工作以天然胶原聚集体为结构单元制备胶原纤维；借助吸附驱动界面组装在纤维表面构筑MXene导电鞘，维持纤维柔顺性；借鉴黄瓜卷须构建螺旋结构，依靠螺旋解扭实现应变重分配，以此拓展传感区间。系统揭示多因素协同调控传感信号的内在机理，开发力学稳定、传感区间得到拓展的可穿戴传感器，为可持续纤维生物电子提出材料‑界面‑结构的设计方法。
保持层次结构的胶原聚集体：制备高性能胶原纤维
天然胶原在生物体内以介观聚集体形式存在，这种超分子聚集赋予胶原良好的力学与热稳定性。天然胶原微原纤维杨氏模量可达3.75-11.5 GPa，显著高于完全溶解后重新组装的胶原（0.31-1.03 GPa），热变性温度也更高。因此，在加工过程保留聚集态结构，是获取高性能胶原纤维的关键。研究团队采用NaOH/尿素/水溶剂体系进行冷冻-解冻温和解离，配合可控超声处理，得到尺寸可控的胶原聚集体（CAs），在很大程度上保留胶原大分子骨架，区别于完全溶解-重组的加工路径。将胶原聚集体悬浮液通过挤出-凝固-干燥工艺完成纺丝，使用碳酸氢钠/异丙醇/乙醇凝固浴快速固化挤出丝条，缓解传统溶液纺丝容易出现的溶胀与形状松弛问题。测试结果表明，聚集体尺寸会明显影响纤维力学表现。采用大尺寸聚集体制备的胶原纤维，拉伸强度可达316.2 ± 52.1 MPa，杨氏模量4611.5 ± 187.8 MPa，断裂伸长率处于20.8~23.3 %区间，韧性最高可达47.5 MJ m⁻³。该纤维力学性能可与商用羊肠手术缝合线、文献报道的溶液纺丝胶原纤维做对比，兼具较高强度、刚度与适宜的延伸能力。
图1胶原纤维的制备与表征
结合机制：胶原聚集体与MXene的界面结合行为
Zeta电位、比表面积及吸附实验结果显示，胶原聚集体具备适宜的表面电荷与较大的比表面积，能够快速捕获MXene。分子动力学模拟和XPS测试证实，MXene吸附后化学结构未发生明显改变，胶原与MXene依靠静电、范德华力这类非共价作用完成界面结合。结合扫描电镜与元素分布表征可以看到，MXene吸附在胶原聚集体表面，在纤维外层构建出连续的导电鞘层，胶原本有的层次结构得以保留。经过洗涤稳定性测试可以看出，该界面结合作用牢固，导电性能维持良好。
图2 MXene在胶原聚集体和胶原纤维表面的界面组装与稳定化机制
仿黄瓜卷须螺旋纤维：依靠几何调控拓展传感工作窗口
受自然界黄瓜卷须启发，团队将胶原@MXene纤维（C@MF）加工为螺旋结构的胶原@MXene螺旋纤维（C@MHF）。该方式依靠几何形变重新分配应变，无需改变材料本身组分，以此拓展传感可用区间。通过调控螺距P、内径D，制备得到一系列螺旋纤维。直纤维C@MF的有效传感窗口大约仅10 %；螺旋C@MHF在初始加载阶段，形变主要由螺旋解扭承担，纤维本体承受的实际应力较低，有效传感窗口可拓展至100 %。螺距越小，螺旋缠绕越紧密，解扭主导的形变区间更长；内径增大有利于形变，但会降低结构稳定性。有限元分析清晰展现变形机制纤维拉伸过程应变分布均匀。机电性能测试结果表明：低应变区间GF=3.61，中高应变区间GF=2.52。这种几何调控思路具备通用性，并不局限于胶原MXene体系，对其他纤维传感体系也具备参考价值。
图3仿生螺旋结构赋予C@MHF机电响应特性
多模态传感性能：拉伸、弯曲、扭转条件下的稳定输出
实际可穿戴应用场景中，器件会同时面临拉伸、弯折、扭转等多种复合形变。研究团队系统评估C@MHF在三种形变模式下的机电响应。拉伸：0‑40 %应变范围内，ΔR/R₀近似线性上升，GF=3.61；40‑100 %应变区间GF=2.52。100 %应变下完成100次循环测试，信号衰减小于10 %，基线漂移微弱；不同拉伸速率下输出信号可重复性良好。弯曲：45°‑180°弯曲过程中电阻单调上升；180弯曲条件下循环50次，信号波动小于5 %。扭转：45°‑180°扭转同样可以产生稳定电阻响应，50次180扭转循环，信号衰减低于5 %。同时，该螺旋纤维在较宽湿度、温度范围内输出信号保持稳定，能够适配日常穿戴的环境条件。
图4螺旋纤维C@MHF拉伸、弯曲和扭转变形下的多模态机电传感性能
纺织集成与无线人体运动监测
C@MHF可监测手指弯曲、手腕摆动、膝盖蹲起-站立的形变。进一步将螺旋纤维缝制到织物上，制备可穿戴传感手套。结合单片机、蓝牙传输模块搭建无线传感系统，电阻信号可以实时上传至手机终端。利用单根纤维输出信号的时序差异，还可以将短按、长按映射为摩尔斯编码，完成“ZZU”“SOS”“HELP”等简单信息的人机输入。上述结果说明，该生物基导电螺旋纤维可以适配现有纺织加工工艺与常规无线读取硬件，在人体运动监测、简易紧急信息交互方面具备应用潜力。
图5基于螺旋纤维C@MHF的可穿戴织物集成及人体运动监测
直纤维C@MF：触摸定位，实现动态触觉人机交互
螺旋纤维面向大应变传感场景，而直型C@MF可以利用一维连续导电通路的特点，实现触摸定位功能。器件两端连接电极，通入交流电压。手指发生触碰时，手指与器件之间形成耦合电容，使两端输出电压U₁、U₂产生差异化变化，结合两端电压比值，就可以计算得到触摸位置。手指沿纤维滑动，电压随位置连续变化，实现一维坐标输出。将纤维对接采集卡与读取程序，完成空战游戏角色横向控制演示，手指滑动能够直接映射屏幕飞机位移，实现连续的人机交互。
图6基于直纤维C@MF的触觉定位特性与交互控制功能
该工作以天然胶原聚集体作为结构单元，制备“保持天然层次结构”的连续胶原纤维；依托非共价吸附，在纤维表面构筑连续MXene导电鞘层，兼顾导电能力与纤维柔顺性。借鉴黄瓜卷须设计螺旋构型，依靠螺旋解扭重新分配应变，传感窗口拓展至100 %，可在拉伸、弯曲、扭转多种形变下实现稳定传感。螺旋纤维可集成于纺织品，用于无线人体运动监测；直纤维构型可实现触摸定位与动态触觉人机交互。本工作提出“材料‑界面‑几何”协同的设计思路，为绿色可持续纤维生物电子、智能纺织品提供新的研究范式。
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77901
