鮑艷，鄭茜，郭茹月

（1 陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2 西安市綠色化學(xué)品與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021）

隨著柔性智能電子器件的不斷發(fā)展，聚合物基底和導(dǎo)電材料結(jié)合制備的柔性壓力傳感器受到了廣泛的關(guān)注。柔性壓力傳感器在外界壓力下引起導(dǎo)電材料之間的連接或分離，導(dǎo)致傳感器電阻減小或增大。在對(duì)其施加電壓時(shí)，傳感器可將拉伸或壓縮信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有外力感知能力優(yōu)異、靈敏度高、信號(hào)處理簡單、成本低、制造工藝簡單等優(yōu)勢(shì)，在人工智能、醫(yī)療監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，Dai 等通過雙向冷凍技術(shù)制備的各向異性層狀多孔MXene/聚酰亞胺（PI）氣凝膠能夠有效提升電子傳輸速度，且具有很大的抗變形能力。Zhao等通過超聲處理將炭黑（CB）納米粒子組裝在聚氨酯（TPU）纖維氈上制備的柔性壓力傳感器具有低檢測(cè)限（0.5%應(yīng)變）、寬響應(yīng)范圍（高達(dá)225%應(yīng)變）、超高靈敏度（225%應(yīng)變時(shí)最大應(yīng)變系數(shù)為3186.4）、快速響應(yīng)時(shí)間（70ms）和良好的可重復(fù)性（5000 次拉伸/釋放循環(huán)）等特點(diǎn)。雖然上述柔性壓力傳感器的傳感范圍和傳感能力均非常優(yōu)異，但是到目前為止大多數(shù)的柔性壓力傳感器在制備過程中均采用了不可降解的聚合物基底｛PI、TPU、聚偏氟乙烯共聚物[P(VDF-TrFe)]、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等｝和導(dǎo)電材料[CB、碳納米管（CNTs）和銀納米線（AgNWs）等]，導(dǎo)致這類傳感器在廢棄后成為電子垃圾，給環(huán)境帶來很大壓力。

基于此，柔性可降解壓力傳感器應(yīng)運(yùn)而生，且近年來發(fā)展勢(shì)頭迅猛。柔性可降解壓力傳感器是指由可降解材料制備而成的柔性壓力傳感器，可在自然環(huán)境中溶解、分解或降解，從而對(duì)環(huán)境和人體不產(chǎn)生危害。用于構(gòu)建柔性可降解壓力傳感器的聚合物基底主要包括天然聚合物和合成聚合物。天然聚合物主要為膠原、絲蛋白、殼聚糖（CS）、纖維素、藻酸鹽和葡聚糖等。合成聚合物則主要為具有可降解性能的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乙醇酸（PGA）、聚(丙交酯-共-乙交酯)（PLGA） 和聚(3-羥基丁酸-共-3-羥基戊酸)（PHBV）等。用于構(gòu)建柔性可降解壓力傳感器的導(dǎo)電材料主要包括可降解型無機(jī)導(dǎo)電材料和具有生物相容性的導(dǎo)電聚合物?？山到庑蜔o機(jī)導(dǎo)電材料包括可降解型金屬（鎂、鐵、鋅、鎢、鉬及其合金等）、半導(dǎo)體（如單晶硅、鍺）和二維材料（如石墨烯基材料）。導(dǎo)電聚合物主要有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）和聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)（PEDOT）等。其相關(guān)結(jié)構(gòu)及種類歸納如圖1及表1所示。

表1 用于制備柔性可降解壓力傳感器的導(dǎo)電材料[16]

圖1 可降解聚合物基底的化學(xué)結(jié)構(gòu)

根據(jù)制備過程中采用原料降解性質(zhì)的不同，柔性可降解壓力傳感器可分為基于可降解柔性聚合物基底的壓力傳感器、基于可降解導(dǎo)電材料的壓力傳感器和基于柔性聚合物基底與導(dǎo)電材料雙降解的壓力傳感器三類。本文為了更加全面地綜述柔性可降解壓力傳感器的研究進(jìn)展，以期對(duì)本領(lǐng)域的發(fā)展及相關(guān)研究工作產(chǎn)生借鑒與指導(dǎo)作用，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從上述三種類型柔性可降解壓力傳感器的國內(nèi)外研究進(jìn)展出發(fā)，總結(jié)比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，并展望了柔性可降解壓力傳感器今后的發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于可降解柔性聚合物基底的壓力傳感器

聚合物基底是柔性壓力傳感器的主要組成部分，決定著傳感器的柔韌性、延展性、厚度等關(guān)鍵性能，因此輕薄、透明、柔性、拉伸性好和絕緣耐腐蝕等性質(zhì)是柔性壓力傳感器對(duì)聚合物基底的主要需求?；诳山到馊嵝跃酆衔锘椎膲毫鞲衅?，其聚合物基底除需具有可降解性能外，還應(yīng)滿足上述基本需求。

1.1 以天然聚合物為柔性聚合物基底

天然聚合物是自然界中由生化作用或光合作用形成的聚合物，主要存在于動(dòng)物和植物體內(nèi)。天然聚合物不僅具有優(yōu)異的可降解性能，還具有可再生性。蠶絲是自然界中最輕、最柔、最細(xì)的天然纖維，具有優(yōu)異的回彈性和透氣、透濕性，作為柔性可降解壓力傳感器的基底材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。例如，Zhang 等將蠶絲與CNTs 摻雜制備了一種絲素蛋白水凝膠（CSFH），將其用作壓力傳感器具有優(yōu)異的傳感性能、突出的生物相容性和拉伸性能（可拉伸到原始長度的100%，如圖2 所示），將其浸泡在0.25%的木瓜蛋白酶（一種對(duì)溫度敏感的酶）溶液中，隨著溫度的升高，CFSH 逐漸降解，并且在完全降解前，其傳感性能依舊保持穩(wěn)定。對(duì)該傳感器施加外力，CSFH中CNTs的接觸點(diǎn)增多，產(chǎn)生更多的導(dǎo)電路徑，從而導(dǎo)致電阻顯著降低。與載有藥物的基于蠶絲蛋白的微針陣列相結(jié)合，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和治療嚙齒類動(dòng)物的癲癇，在定制健康監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備和慢性臨床疾病的原位治療方面具有應(yīng)用潛力。Hou等采用AgNMs與蠶絲蛋白制備了一種柔性、可拉伸電極，該電極表現(xiàn)出低薄層電阻（10.5Ω/m）、高透光率（＞90%）、優(yōu)異的穩(wěn)定性（＞2200 次的彎曲循環(huán)）和良好的延展性（＞60%）。將該電極浸入37℃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的木瓜蛋白酶溶液中24h，電極分解并破裂。將其用作傳感器，可同時(shí)檢測(cè)壓力和應(yīng)變信號(hào)，且透氣率好，可直接層壓在人體皮膚上進(jìn)行長期健康監(jiān)測(cè)。由于蠶絲的強(qiáng)度、韌性、透濕性等超過了合成材料以及自然界中的許多其他材料，因此成為了柔性可降解聚合物基底的首選材料，有利于傳感器延展性、透明性、生物相容性及可降解性的提升。

圖2 采用導(dǎo)電絲素蛋白水凝膠（CSFHs）制備可降解壓力傳感器[44]

CS 是世界上第二大豐富的天然聚合物材料，除了可降解性和生物相容性外，還具有高親水性、優(yōu)異的黏合特性、良好的抗菌性和易于化學(xué)修飾的特點(diǎn)，這些特性使CS 成為柔性可降解壓力傳感器基底材料的理想候選物。但是，CS的機(jī)械性能較差，影響其穩(wěn)定性。如Zhang 等在低溫下采用溶劑澆筑法制備了AgNMs/CS 壓力傳感器，對(duì)其進(jìn)行100次彎曲循環(huán)和不同扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)后，該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性。但是，與大多數(shù)壓力傳感器可進(jìn)行幾千甚至幾萬次的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)相比，其機(jī)械性能和電阻穩(wěn)定性要差很多。為了改善CS 的機(jī)械性能，常將CS 與其他聚合物混合，如Hosseini等在CS基質(zhì)中生長甘氨酸（β-Gly）晶體，獲得了均勻且高度穩(wěn)定的β-Gly/CS 薄膜，然后采用硬掩模和電子束蒸發(fā)技術(shù)在β-Gly/CS 膜的兩側(cè)沉積厚度為10nm/90nm 的Au 電極，最后連接導(dǎo)線、封裝，制備了壓電式壓力傳感器（如圖3 所示）。將其浸泡在pH 為7.4 的磷酸鹽緩沖（PBS）溶液中，β-Gly/CS 膜幾天后便可溶解。此外，該傳感器在60kPa的壓力下能夠產(chǎn)生190mV的輸出電壓，靈敏度為(2.82±0.2)mV/kPa，且經(jīng)過9000 次循環(huán)后基本性能依舊穩(wěn)定，其產(chǎn)生的電刺激能夠用于傷口愈合和組織再生。類似地，Miao 等將CS 與PVP 在低溫下混合制備柔性基底，隨后通過射頻濺射技術(shù)和熱蒸發(fā)技術(shù)在基底上沉積氧化鋅薄膜和Ti/Au 指狀電極，制備柔性壓力傳感器。將其置入土壤6 天后，表現(xiàn)出90%的降解率。此外，該傳感器還具有高溫（高達(dá)250℃）穩(wěn)定性和良好的機(jī)械穩(wěn)定性（25MPa）。近二十年來，由于環(huán)境友好材料和各學(xué)科的相互交叉與滲透，CS及CS復(fù)合材料的研究處于非?；钴S的時(shí)期。除了上述研究中將CS 與其他材料復(fù)合制備CS 基柔性基底改善其性能之外，還可以利用其豐富的氨基和羥基進(jìn)行可控的化學(xué)修飾，如?；?、烷基化、羧基化等改性，制成纖維、薄膜、水凝膠、納米顆粒和微球等各種形態(tài)，用作柔性基底制備柔性壓力傳感器時(shí)，傳感器的機(jī)械性能和穩(wěn)定性得到大幅提升，而且其豐富的形態(tài)也將為傳感器開拓更為廣泛的應(yīng)用。

圖3 柔性壓電Gly/CS壓力傳感器的制備過程示意圖[50]

纖維素具有優(yōu)異的柔韌性、透明度和高溫穩(wěn)定性，由纖維素制成的紙張是一種具有普適性、多孔性和柔軟性的簡單基底，應(yīng)用于傳感器可提高生理分析的準(zhǔn)確性。例如，Zhao 等將具有褶皺的多層低電導(dǎo)率PPy紙張作為傳感層，夾在高電導(dǎo)率的PPy 紙張之間，制備了柔性壓力傳感器（如圖4所示）。對(duì)該傳感器施加外力，低電導(dǎo)率的PPy 紙張間的接觸面積增加，電阻降低。該傳感器具有制備簡單、成本低、檢測(cè)范圍寬（高達(dá)40kPa）和靈敏度高（＜5.5kPa 時(shí)，靈敏度為4.8kPa；壓力在5.5～40kPa時(shí)，靈敏度為1.7kPa）的特點(diǎn)，能夠用于檢測(cè)各種人體生理信號(hào)，如呼吸、脈搏、語音識(shí)別和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。Parrilla 等將單壁碳納米管（SWCNTs）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）組裝到商用濾紙中，制備了一種用于評(píng)估人體排汗率和排汗量的可穿戴紙基壓力傳感器。隨著紙基傳感器表面吸收液體量的增加，電阻呈線性增加趨勢(shì)。這種具有獨(dú)特傳感機(jī)制的可穿戴傳感器有望應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)脫水檢測(cè)，相較于現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)，該傳感器具有易操作、自主和簡單等突出特點(diǎn)。由于纖維素具有柔軟、多孔、生物相容和易于化學(xué)修飾的特性，易于采用簡單的方法來實(shí)現(xiàn)傳感性能，因此，目前纖維素類傳感器的制備技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，且已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

圖4 PPy紙基壓力傳感器的制備過程示意圖[59]

除上述天然聚合物外，藻酸鹽、葡聚糖等也已經(jīng)開始用于柔性可降解壓力傳感器的制備，且表現(xiàn)出不俗的性能特點(diǎn)。雖然天然聚合物具有來源豐富、可再生、成本低等優(yōu)勢(shì)，但其不可控制的生物降解能力使所制備的柔性壓力傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性相對(duì)較差，同時(shí)天然聚合物相對(duì)較差的機(jī)械性能，也常常使所制備的柔性壓力傳感器的拉伸性能難以滿足需求。另外，傳感器制備過程中所使用的某些條件和工藝，如高溫、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿等，也可能對(duì)天然聚合物基底的性能產(chǎn)生不良影響。這些缺點(diǎn)都極大地影響了以天然聚合物為柔性可降解基底的壓力傳感器的廣泛應(yīng)用，限制了傳感性能的提高?；谔烊痪酆衔锘椎膲毫鞲衅鞯男阅芴攸c(diǎn)及應(yīng)用范圍歸納如表2所示。

表2 基于天然聚合物基底的柔性可降解壓力傳感器的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

1.2 以合成聚合物為柔性聚合物基底

隨著可降解柔性壓力傳感器與動(dòng)態(tài)表面更好集成需求的日益增長，具有結(jié)構(gòu)與分子量可控、機(jī)械性能優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性好、降解性能可調(diào)等優(yōu)勢(shì)的合成聚合物引起了研究者的興趣。因此，以具有可降解能力的合成聚合物作為柔性基底制備的壓力傳感器也受到了越來越多的關(guān)注。例如，Guo等在PLA薄膜和涂覆叉指電極的PLA薄膜間夾入MXene浸漬的紙張制備了一種高靈敏度的柔性可降解壓力傳感器（如圖5 所示）。將其置入PBS 溶液中，傳感器1天后開始降解，14天降解完成。除此以外，PLA/MXene 傳感器還具有靈敏度高、檢測(cè)限低（10.2Pa）、響應(yīng)范圍寬（高達(dá)30kPa）、響應(yīng)時(shí)間短（11ms）、功耗低（8～10W）和穩(wěn)定性好（10000 次循環(huán)）的特點(diǎn)，可用于預(yù)測(cè)患者的健康狀態(tài)，且可作為電子皮膚來映射觸覺刺激。Sencadas等合成了聚癸二酸甘油酯（PGS），并將其與多壁碳納米管（MWCNTs）和氯化鈉（NaCl）共混制備了PGS 壓力傳感器（如圖6 所示）。將其浸入37℃的PBS 溶液（pH 為7.4）中8 周，傳感器完全降解。此外，由于其獨(dú)特的多孔特性，在大范圍壓力（≤8kPa）下，傳感器具有良好的靈敏度（0.09～8.2kPa）、低檢測(cè)限（100Pa）、優(yōu)異的穩(wěn)定性（＞200000 次循環(huán)）和短響應(yīng)時(shí)間（≤20ms）等特性，可應(yīng)用于人工智能、個(gè)性化醫(yī)療和人體狀況監(jiān)控設(shè)備等，為環(huán)保可穿戴電子設(shè)備提供了一種新思路。除了上述提到的可降解合成聚合物，研究者們也正在嘗試對(duì)不可降解聚合物進(jìn)行改性，提高其生物降解性，但是目前還沒有將此類材料用于制備傳感器基底的文獻(xiàn)報(bào)道。基于單一可降解合成聚合物基底的傳感器目前并不能滿足特定應(yīng)用的所有要求，因此，采用多組分聚合物體系形成多功能可降解基底，提高傳感器的傳感性能成為了一種新的發(fā)展趨勢(shì)。

圖5 MXene/PLA柔性可穿戴瞬態(tài)壓力傳感器的制備過程示意圖[68]

圖6 PGS壓力傳感器的制備過程示意圖[69]

與基于天然聚合物基底的柔性可降解壓力傳感器相比，采用可降解的合成聚合物制備的壓力傳感器性能更加優(yōu)異，特別是在靈敏度和機(jī)械穩(wěn)定性方面。此外，由于合成聚合物的化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，以其為基底制備柔性可降解壓力傳感器時(shí)基本不受制備條件及工藝的影響，且可根據(jù)柔性可降解壓力傳感器的使用壽命需求選擇具有合適降解能力的合成聚合物。但是，與天然聚合物相比，合成聚合物的透氣性能較差，這制約了以合成聚合物為基底的柔性可降解壓力傳感器的使用舒適性。基于合成聚合物基底的柔性可降解壓力傳感器的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍歸納如表3所示。

表3 基于合成聚合物基底的柔性可降解壓力傳感器的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

2 基于可降解導(dǎo)電材料的壓力傳感器

導(dǎo)電材料是壓力傳感器的另一重要組成部分，對(duì)傳感器的靈敏度、傳感范圍等具有顯著影響。雖然導(dǎo)電材料在柔性壓力傳感器中的用量要大幅小于聚合物基底，但如果導(dǎo)電材料是可降解的，則會(huì)在合適條件下導(dǎo)致柔性壓力傳感器發(fā)生局部降解，從而減少電子垃圾的產(chǎn)生。

2.1 以可降解摻雜導(dǎo)電聚合物為導(dǎo)電材料

導(dǎo)電聚合物是一類分子結(jié)構(gòu)中含有共軛長鏈結(jié)構(gòu)，雙鍵上離域的π電子可以在分子鏈上遷移形成電流，從而使得聚合物本身具有導(dǎo)電性的材料。在這類聚合物中，分子鏈越長，π電子數(shù)越多，電子活化能越低，即電子更容易離域，聚合物的導(dǎo)電性越好。但是，由于固有的π-π 共軛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其本身不具有生物降解性。目前，可以通過將柔性非共軛的共軛破壞劑引入聚合物主鏈，從而引起共軛斷裂來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物的降解。這種可降解的摻雜導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性普遍較低，主要用于記錄和刺激小的生物電信號(hào)。

在制備傳感器時(shí)，由于摻雜導(dǎo)電聚合物與聚合物基底均為有機(jī)高分子，兩者間具有相似的分子結(jié)構(gòu)，因此在構(gòu)建柔性壓力傳感器時(shí)兩者間具有較好的相容性，可賦予傳感器杰出的力學(xué)性能。另外，良好的相容性也使得摻雜導(dǎo)電聚合物在降解過程中會(huì)對(duì)聚合物基底產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致柔性壓力傳感器的降解性能更加優(yōu)異。因此，采用導(dǎo)電聚合物構(gòu)建可檢測(cè)微小應(yīng)變的柔性可降解壓力傳感器是一種比較可行的方法。

2.2 以可降解無機(jī)導(dǎo)電材料為導(dǎo)電材料

無機(jī)導(dǎo)電材料是一類具有導(dǎo)電性能的無機(jī)物。可降解的無機(jī)導(dǎo)電材料主要包括腐蝕性金屬和二維導(dǎo)電材料。腐蝕性金屬如Mg、Zn、Wo、Fe、Mo及其氧化物，與人體具有良好的相容性。在合適的條件下，此類金屬參與氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生腐蝕性作用，導(dǎo)致壓力傳感器發(fā)生降解。目前，Mg、Fe 和Zn 是構(gòu)建柔性可降解壓力傳感器最常用的金屬?？山到獾亩S導(dǎo)電材料主要包括二維層狀過渡金屬硫族化合物（TMDCs）和石墨烯基材料（GBMs）。TMDCs 具有可調(diào)的帶隙寬度、可變的半導(dǎo)體性到金屬性、優(yōu)異的機(jī)械性能和可調(diào)的降解速率，其化學(xué)式為MX，M 指Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W 等過渡金屬，X 指S、Se、Te 等硫族元素。其中，二硫化鉬（MoS）、二硫化鎢（WS）、二硒化鉬（MoSe）和二硒化鎢（WSe）在柔性壓力傳感器中已被廣泛研究。高度分散的單層石墨烯和多層石墨烯能被過氧化物酶降解，也已經(jīng)應(yīng)用于柔性可降解傳感器的制備。

與可降解的摻雜導(dǎo)電聚合物相比，可降解無機(jī)導(dǎo)電材料與聚合物基底間的化學(xué)組成差異大，常常存在無機(jī)相與有機(jī)相間的不相容問題，因此采用無機(jī)導(dǎo)電材料構(gòu)建柔性壓力傳感器時(shí)常需對(duì)其進(jìn)行改性。另外，由于無機(jī)導(dǎo)電材料的高脆性，所構(gòu)建的柔性壓力傳感器存在使用過程中無機(jī)導(dǎo)電材料易脫落、穩(wěn)定性差的問題。再者，雖然人們對(duì)二維無機(jī)導(dǎo)電材料的生物相容性和生物降解性已經(jīng)開展了一定的研究，但仍缺乏深入的調(diào)查和詳細(xì)的解釋。目前，二維無機(jī)導(dǎo)電材料在生物降解領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，尤其是將二維無機(jī)導(dǎo)電材料與聚合物基底結(jié)合制備柔性可降解壓力傳感器的降解性能的研究還亟待開展。

3 基于柔性聚合物基底和導(dǎo)電材料雙降解的壓力傳感器

上述基于可降解柔性聚合物基底的壓力傳感器和基于可降解導(dǎo)電材料的壓力傳感器由于僅是部分材料發(fā)生降解，因此其降解性能有限。為了實(shí)現(xiàn)柔性壓力傳感器的完全降解，徹底解決電子廢棄物的產(chǎn)生，選擇可降解的柔性聚合物基底和可降解的導(dǎo)電材料共同構(gòu)建壓力傳感器是一種令人滿意的方法。

2015 年，Boutry 等采用具有降解性能的PHBV作為聚合物基底、具有金字塔微結(jié)構(gòu)的PGS作為介電層、腐蝕性金屬M(fèi)g作為底部和頂部電極、Fe作為黏合層，制備了一種完全可生物降解的壓力傳感器。該傳感器具有高靈敏度[＜2kPa 時(shí)靈敏度為(0.76±0.14)kPa，2～10kPa 時(shí)靈敏度為(0.11±0.07)kPa]、毫秒級(jí)的快速響應(yīng)和數(shù)千次的循環(huán)穩(wěn)定性，可用于心血管監(jiān)測(cè)。該研究代表了傳感器向完全可降解邁進(jìn)的第一步。2016 年，該團(tuán)隊(duì)在之前研究的基礎(chǔ)上，采用PGS薄膜為介電層、可降解POMaC 彈性體為封裝層、左旋聚乳酸（PLLA）為Mg 電極的基底層，制備出完全可降解的應(yīng)變和壓力傳感器（如圖7 所示）。其應(yīng)變傳感部分是依靠兩個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)的Mg 電極，壓力傳感部分依靠具有金字塔結(jié)構(gòu)的PGS 介電層和PLLA 上的Mg 電極。該傳感器可檢測(cè)小至一粒鹽施加的壓力（12Pa）和0.4%的應(yīng)變，且不會(huì)相互干擾。在達(dá)到其使用壽命后可完全降解，適用于作為植入式設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用。目前，植入式的完全可生物降解柔性壓力傳感器在臨床環(huán)境中已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，與傳統(tǒng)植入式監(jiān)測(cè)性電子設(shè)備相比，除了具有穩(wěn)定性之外，還具有良好的生物相容性，使其在體內(nèi)不會(huì)引發(fā)炎癥，同時(shí)避免了二次手術(shù)取出引發(fā)的不良反應(yīng)?？紤]到可生物降解柔性壓力傳感器在生物醫(yī)學(xué)中具有極大的應(yīng)用潛力，需要研究傳感器的長期生物相容性和降解產(chǎn)物對(duì)人體健康的影響，加快其在實(shí)際應(yīng)用中的速率。

圖7 完全可生物降解應(yīng)變/壓力傳感器的制備過程示意圖[75]

除此以外，完全可降解柔性壓力傳感器表現(xiàn)出的諸多優(yōu)勢(shì)，使其在可穿戴領(lǐng)域也備受關(guān)注。例如，Lyu 等將還原氧化石墨烯（rGO）/天然橡膠的雜化懸浮液涂覆在Ca預(yù)處理后的牛奶蛋白織物（MPF）上，制備了一種環(huán)保型可穿戴壓力傳感器。其中，Ca引入的金屬-配體界面設(shè)計(jì)顯著改善了材料的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度為目前文獻(xiàn)中天然聚合物基柔性傳感器的2～10 倍。此外，橡膠基體中構(gòu)建的有序三維rGO導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使傳感器具有比其他天然聚合物基應(yīng)變傳感器更高的靈敏度、拉伸性和耐久性。這種在天然聚合物基礎(chǔ)上衍生的方法為開發(fā)可穿戴環(huán)保型柔性壓力傳感器提供了一種新的思路。由于穿戴式完全可降解柔性壓力傳感器可減少醫(yī)療廢物的堆積，因此非常適合單次測(cè)量，提高其使用時(shí)的衛(wèi)生性能。但是，目前制備的大部分穿戴式完全可降解傳感器成本較高，需要降低其制備成本。

基于柔性聚合物基底和導(dǎo)電材料雙降解的壓力傳感器的性能特點(diǎn)及使用范圍歸納如表4所示?；谶x擇可降解的柔性聚合物基底和可降解的導(dǎo)電材料共同構(gòu)建壓力傳感器是實(shí)現(xiàn)柔性壓力傳感器完全降解的有效途徑。但是，該策略受到原材料的極大限制，導(dǎo)致傳感器的性能無法按照需求不斷提升，因此應(yīng)用范圍相對(duì)較小。

表4 基于柔性聚合物基底和導(dǎo)電材料雙降解的壓力傳感器的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

4 結(jié)語

綜上所述，利用可降解材料構(gòu)建柔性壓力傳感器已經(jīng)有了較大的發(fā)展。其中，基于可降解的柔性聚合物基底和可降解的導(dǎo)電材料共同構(gòu)建壓力傳感器是柔性可降解壓力傳感器未來的主流發(fā)展趨勢(shì)，但由于受到原料及性能等方面的限制，目前該類傳感器還處于探索階段。相對(duì)而言，基于可降解柔性聚合物基底構(gòu)建的柔性可降解壓力傳感器不僅原料選擇范圍廣，而且性能優(yōu)異，是目前研究者廣泛采用的一種途徑。

雖然與傳統(tǒng)不可降解壓力傳感器相比，柔性可降解壓力傳感器在可穿戴、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面表現(xiàn)出明顯的低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)、低成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但仍面臨著許多挑戰(zhàn)。

首先，可生物降解材料的重現(xiàn)性、可靠性、成本效益和安全性還需要確定，部分材料的降解機(jī)理尚不明確；因此，需要深入研究已有可降解聚合物材料的物理化學(xué)特性（如成分、結(jié)晶度、表面形態(tài)、耐酸、耐堿及化學(xué)穩(wěn)定性等）及降解機(jī)理。例如，在相同的人工環(huán)境（溫度、濕度、壓強(qiáng)等）中進(jìn)行測(cè)試，確定其降解、腐蝕和溶解曲線，并對(duì)其進(jìn)行修飾（如硅烷化、氫化或碳?xì)浠刂破浣到庑浴?/p>

其次，基于合成聚合物各項(xiàng)性能可控的特點(diǎn)，可降解的合成聚合物是未來制備環(huán)保高性能柔性壓力傳感器的首選材料，但是目前制備的過程通常涉及有毒溶劑及非綠色方法，因此，在設(shè)計(jì)工藝時(shí)需要考慮綠色工藝。

第三，目前可降解導(dǎo)電材料的選擇非常有限。無機(jī)導(dǎo)電材料的高脆性導(dǎo)致其易于從基底表面脫落，且部分導(dǎo)電材料，如Mg的降解副產(chǎn)物H、—OH雖然對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生影響，但是在人體內(nèi)的過多堆積也會(huì)產(chǎn)生毒性。而摻雜導(dǎo)電聚合物雖然提高了導(dǎo)電聚合物的降解性，但是導(dǎo)電性較低，且很難合成，因此，可采用化學(xué)修飾改變導(dǎo)電聚合物的分子鍵，使其對(duì)弱酸敏感，同時(shí)保持快速電荷轉(zhuǎn)移的能力，從而提高導(dǎo)電材料的性能。到目前為止，開發(fā)高導(dǎo)電性、無毒及易于合成的可生物降解導(dǎo)電材料仍然是基于可降解導(dǎo)電材料柔性壓力傳感器面臨的最大挑戰(zhàn)。

第四，傳感器所處的環(huán)境決定了其使用壽命，對(duì)于需要直接暴露測(cè)量各種化學(xué)、物理和生物參數(shù)的柔性可降解壓力傳感器來說，材料可能會(huì)與所處環(huán)境中的離子發(fā)生相互作用，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致材料失效，極大地影響傳感器的功能特性。因此，可以賦予傳感器如疏水防污、抗菌、抗紫外等性能，以克服其在惡劣環(huán)境中傳感區(qū)域或電極的惡性退化，維持降解過程中功能特性的穩(wěn)定。

第五，為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的目的，需要簡單、低成本和非真空制造/印刷等技術(shù)來制備柔性可降解壓力傳感器。但是，柔性可降解壓力傳感器化學(xué)反應(yīng)性較強(qiáng)，阻礙了傳統(tǒng)制造技術(shù)的使用，導(dǎo)致柔性可降解壓力傳感器的傳感性能尚未達(dá)到傳統(tǒng)傳感器的水平。而采用新工藝，如軟光刻、絲網(wǎng)印刷以及3D/4D打印技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)柔性可降解壓力傳感器性能提高的關(guān)鍵。

總之，柔性可降解壓力傳感器雖然還處于起步階段，但是，其對(duì)于推動(dòng)柔性電子的綠色發(fā)展具有重要意義，此方面的研究將大有可為。