将柔性压力传感器贴附在人体皮肤表面，可以通过其内部结构变化来检测人体生理及运动信号。但在实际的使用过程中，传感器容易被水、污渍等浸湿，从而影响其使用性能。且高分子材料在潮湿的环境中容易滋生有害细菌，对人体健康造成潜在威胁。因此，需要研发具有抗菌和疏水性能的传感器以满足实际使用需求。

基于此，陕西科技大学马建中教授团队以交联胶原纤维(CCF)作为骨架材料，二维过渡金属碳化物和/或氮化物(MXene)作为导电材料，并引入良好抗菌性能的银纳米粒子(AgNPs)和低表面能的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(FAS)，通过定向冷冻法结合浸渍法制备了具有微通道结构的绿色传感材料(FCMA)（图1），该传感材料不但具有高灵敏度，还具有抗菌和疏水性能，能够在潮湿、多雨的情况下使用，具有广阔的应用前景。

图1 FCMA的制备流程示意图

初始状态下，FCMA传感材料内部通道层之间含有已连通的“桥梁”，也含有较短的未连通的“桥梁”，导电通路较少。在压缩过程中，相对较短的“桥梁”逐渐连通微通道层，相对较长的“桥梁”会发生折叠，与通微通道层的接触面积增加，从而形成更多的导电通路，电流增加。压力释放后，微通道结构恢复到初始状态，使得传感材料具有较高的灵敏度和变形能力（图2）。FCMA传感材料的灵敏度为168.59 kPa^-1，响应和恢复时间为0.20 s和0.10 s，传感范围为0.014~7 kPa，可用于人体微小生理信号和大幅运动信号的检测。

图2 FCMA传感材料检测(a)颈部脉搏、(b)吞咽、(c)静态震颤、(d)摩斯密码、(e)肘部弯曲、(f)跑步的相对电流变化，(g)传感机理

FCMA传感材料具有超疏水性能，水滴接触超疏水表面后迅速滚落而不留下任何痕迹，且不影响其传感性能（图3），说明其能够在潮湿或多雨的环境中正常工作。不同pH值溶液的水滴和牛奶、橙汁、辣椒油、葡萄酒和咖啡等常见食物液滴均能在FCMA传感材料表面呈近似球形的形态，证明其具有一定的耐酸碱性能和自洁性能，这在实际应用中具有极大优势。

图3 (a)在压缩过程中，水注射F-mCCF/MXene/Ag复合气凝胶的I-T曲线；(b)不同pH值水滴（分别用溴酚蓝、溴甲酚绿、无、酚酞标记的水）和(c)食物滴在F-mCCF/MXene/Ag复合气凝胶的表面的光学照片

得益于AgNPs的杀菌作用及FAS疏水性带来的抗粘附性，使FCMA传感材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌和黑曲霉都有良好的抗菌效果（图4），抑菌率均达99.9%。证明FCMA传感材料对细菌和真菌都具有良好的抗菌性能。

图4 FCMA传感材料气凝胶处理细菌和真菌的菌落照片和FCMA传感材料与菌液震荡后的SEM照片

该成果以“High sensitivity microchannel-structured collagen fiber-based sensor with antibacterial and hydrophobic properties”为题，在国际期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上面发表论文。本文通讯作者为马建中教授和张文博副教授。

文章信息：Jianzhong Ma, Zhaoying Pan, Wenbo Zhang, Qianqian Fan, Wen Li, Huiyuan Liang. High sensitivity microchannel-structured collagen fiber-based sensor with antibacterial and hydrophobic properties. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022, https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c05292.