醫療資源緊缺推進醫療方式變革，智能醫療正在成為解決醫療資源短缺問題的理想方法。隨著互聯網的發展，人們期待使用柔性醫療保健系統在居家狀態下實現實時健康狀態監測，這對傳感器所需使用的柔性基材提出了新需求。目前所使用的柔性基材一般是傳統的石油基聚合物，不可再生。纖維素作為一種天然聚合物，具有來源廣泛，加工方便以及可生物降解等優點，是一種可以替代石油基聚合物的理想材料。本文綜述納米纖維素在柔性傳感器中的應用進展，首先介紹纖維素及納米纖維素的結構及改性方法，然后歸納了納米纖維素柔性傳感器在實時醫療監測中的應用，最后討論了納米纖維素在柔性傳感器領域的優勢及面臨的挑戰。
引用本文： 孫鵬, 杜昀怡, 原續波, 侯信, 趙瑾. 納米纖維素在柔性傳感器中的應用. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(1): 185-191. doi: 10.7507/1001-5515.202104074 復制
引言
隨著經濟社會的快速發展，我國人口數量急劇上升，傳統的醫療資源已經不能滿足社會發展的需求。其中供需不平衡促使醫療保健方式發生根本性轉變，朝著更加智能、快捷與可持續發展方向不斷進步。實現智能醫療需要有實體物質作為基礎，將傳統醫療方式與智能生物傳感器、可穿戴設備以及信息通信技術連接在一起[1]，這對高性能柔性傳感器提出了新的需求。
柔性電子學的快速發展使得一些材料適合用于柔性傳感設備、醫療保健領域和仿生智能機器人等[2]。多種天然聚合物已經用作柔性基材，比如殼聚糖（chitosan，CTS）、膠原蛋白、蠶絲、明膠和纖維素等[3]，其中纖維素是一種常見的天然聚合物，來源非常廣泛，植物中存在大量的纖維素，天然棉纖維（cotton fiber，CF）中有98%的纖維素，木材中的纖維素含量范圍是10%～90%[4]。部分細菌可以合成纖維素，比如醋酸菌屬、土壤桿菌屬、根瘤菌屬和八疊球菌屬等[5]。納米纖維素是一種至少有一維是納米尺寸范圍內的纖維素材料，可以從植物中分離或者從細菌中獲得。納米纖維素主要可以分為三類，包括纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals，CNC）、纖維素納米纖維（cellulose nanofibers，CNF）以及細菌纖維素（bacterial cellulose，BC）[6]。
如圖1所示，納米纖維素可以形成不同尺寸與形態的材料，比如寬度小于100 nm的一維CNF、采用過濾或澆筑等方法制備的二維納米纖維素薄膜（nanocellulose film，NCF）以及通過棒狀納米顆粒自組裝形成的三維纖維素水凝膠（cellulose hydrogel，CH）等[7]。
圖1
納米纖維素形成不同尺寸與形態的材料及其應用
Figure1.
Nanocellulose forms materials of different sizes and shapes and their applications
1 纖維素及納米纖維素的結構與性能
纖維素是由葡萄糖單元組成的長鏈，具有扁平帶狀構象，相鄰的兩個脫水葡萄糖環通過氧共價鍵合，連接點分別是C1和C4，即形成β-1，4-糖苷鍵。來自不同源材料的纖維素具有不同的聚合度，大致為1 000～1 500[8]。纖維素中的分子內和分子間氫鍵在穩定纖維素構象的同時能夠賦予材料較大的軸向模量，根據文獻[9]報道，不同的模型中預測出不同的軸向模量，大致為100～160 GPa，與凱夫拉（Kevlar）纖維相當。多個纖維素分子鏈通過范德華力和分子間的氫鍵相互堆疊在一起形成纖維素原纖維，其中存在由纖維素分子鏈規則排列形成的有序晶區以及雜亂排列形成的無序區。在較大機械作用下，無序區的分子鏈發生斷裂，從而將有序晶區以比較完整的狀態提取出來，由此制備得到的CNC長徑比適中，其長度尺寸大約為50～500 nm，寬度范圍為3～50 nm。
纖維素及納米纖維素的制取分為兩條技術路線，一是稀酸預水解、有機酸處理、低共熔溶劑分餾以及酶輔助水解等“自上而下”的技術路線[10]，二是利用堿/尿素溶液、離子液體（ionic liquids，ILs）和熔融無機鹽水合物等制備再生纖維素或者是通過細菌生化生產BC等“自下而上”的技術路線[11]。
纖維素分子側鏈具有的大量羥基（—OH）使得纖維素存在分子內和分子間氫鍵，賦予纖維素良好的機械性能，比如高強度和良好的柔韌性。同時這些豐富的—OH也使得纖維素能夠與其他多種材料相互雜化，比如用作電極的粘合劑。此外伯羥基（—CH2OH）具有良好的化學修飾能力，能夠很方便地進行化學改性。納米纖維素表面改性技術通常用于引入一些帶電和疏水基團，這樣的方法包括陽離子化、羧基化、酯化、接枝、磺化、酰胺化、半乙酸化以及磷酸酯化等[12]。纖維素所具有的易于修飾以及可整合的特性使得其在功能材料合成領域具有廣闊的應用前景。
2 納米纖維素在柔性傳感器中的應用
2.1 纖維素納米纖維
CNF是通過機械作用制備得到的一種應用廣泛的納米材料，加工方便且具有良好的柔韌性以及優異的熱穩定性，基于CNF的一維纖維素材料用作紡線在紡織傳感領域有重要的應用前景。
紡織傳感技術是新一輪科技革命和產業變革中的關鍵技術，目前市面上已經出現了由導電纖維紡織而成的智能服裝。此類智能服裝通過將金屬材料［如金/銀納米粒子（gold/silver nanoparticles，Au/AgNPs）］、碳基材料［如碳納米管（carbon nanotubes，CNT）、石墨烯（graphene，GR）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）和還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）］以及導電聚合物［如聚苯胺（polyaniline，PANI）和聚吡咯（polypyrrole，PPy）］等功能性無機或有機組分引入到相互連結形成的纖維素網狀結構中，獲得具有優異機械強度和傳感能力的多維導電纖維[13]。具有優良耐磨性能的纖維素纖維材料能夠有效防止活性組分在使用過程中或者洗滌時從纖維素基質上脫落[14]。
2.1.1 生化物質檢測
生化物質的檢測可用于疾病診斷或者評價治療效果[15]。納米纖維素具有良好的生物相容性，是柔性生物傳感器的理想材料。目前已經開發了多種可檢測生化物質的納米纖維素基柔性生物傳感器，Promphet等[16]報道了一種基于棉線的比色傳感器，用于檢測汗液中含有的葡萄糖和尿素。為了提高酶固定效率以及增強傳感性能，研究人員使用CNF/CTS-GO對棉線表面進行修飾。該系統根據酶促反應和生色試劑反應引起的顏色變化來檢測葡萄糖和尿素，葡萄糖和尿素的線性檢測范圍分別是0.1～3 mmol和30～180 mmol。該傳感器能夠方便地集成到衣物上，實現對糖尿病和腎功能衰竭同時診斷，達到實時監測人體健康狀況的目的。
2.1.2 溫度監測
新型冠狀病毒引起的肺炎疫情防控形勢嚴峻，防控關鍵是阻斷病毒傳播。傳統的體溫監測方式無法避免醫護人員與患者近距離接觸，增加了感染風險，為實現無接觸式實時溫度監測，需要設計新型溫度傳感裝置。優異的傳感性能依賴于材料各組分之間的協同作用，濕法紡絲是一種將活性組分集成到纖維中的常見方法。Teng等[17]采用一種簡單可控的濕法紡絲技術，利用GR和CNF之間的相互作用和插層效應制備了一種具有皮芯結構的CNF/GR@PANI微纖維，層間的相互作用主要是π-π堆積、靜電相互作用以及氫鍵作用，高度定向的PANI納米棒通過原位沉積的方法接到皮芯纖維表面，該纖維具有優異的機械性能（抗拉強度為476.25 MPa）。CNF/GR@PANI微纖維表面沉積有PANI，斷裂伸長率與CNF/GR微纖維相比有所下降，但CNF/GR@PANI微纖維具有出色的柔韌性，制成的電容器可以貼附在人體表面，其體積電容會隨溫度的變化而產生相應變化，實現對人體體溫的實時監測。
隨著智能紡織物的發展，多功能傳感纖維受到廣泛關注，但是難以大規模量產依然是阻礙其產業化的重要原因。Jing等[18]受到蛛絲結構的啟發，通過旋轉凝固浴進行同軸濕法紡絲得到含有取向CNT的同軸纖維。該纖維具有皮芯結構，纖維素在外部包圍著緊密取向的CNT，這種結構的形成是因為在旋轉凝固液中同時發生了纖維素的再生以及CNT的規則取向。皮芯結構賦予材料優異的性能，表現出較高的導電率（872 S/m）以及良好的機械強度（抗拉強度為113.8 MPa）。這種同軸纖維構建的傳感器在使用時表現出較高的靈敏度，具有快速響應以及重現性好等優點。在溫度傳感方面，由這種材料得到的傳感器能夠對外界環境中20～100 ℃的溫度變化作出準確響應。
2.1.3 人體運動監測
康復治療過程中通常需要使用應變傳感系統，對人體的細微運動作出快速靈敏的反應，從而有效評價治療效果。除了單獨引入CNT外，有研究將碳材料與導電聚合物結合作為纖維素紡紗的功能組分。Cai等[19]通過包芯紡紗技術制備了一種多功能皮芯紗，PPy通過原位聚合沉積在CF/CNT紗線表面，提供導電能力。此種多功能皮芯紗具有優異的可拉伸性能，拉伸變形400%后能保持纖維的相對完整，這與PPy的原位聚合有關，制備過程中材料在冷水環境中發生收縮，之后再經過后處理發生膨脹，使得材料內部的扭曲得到恢復，從而產生良好的拉伸性能，集成的應變傳感系統可有效監測人體運動。
二維過渡金屬碳化物/氮化物（two-dimensional transition metal carbide/nitride，MXenes），其通式為Mn + 1XnTx［其中M為過渡金屬，X為碳或氮原子，n值通常為1、2或3，Tx表示表面基團，如羥基（—OH）、氧（—O）、氟（—F）等］，具有較高的電導率（薄膜狀材料電導率為10 000 S/cm，體積電容為1 500 F/cm3）[20]。目前，已經有較多針對MXenes在傳感器領域的應用研究正陸續展開。碳化鈦（Ti3C2）是最為典型的一種MXenes，文獻[14]報道，在纖維素紗線上涂覆Ti3C2，處理后的紗線具有良好的導電能力，并且可以使用工業編織機織成紡織品。結果表明，MXenes含量高達77％（質量百分比；≈ 2.2 mg/cm）的紗線電導率可以達到440 S/cm。在30～80 ℃的溫度下重復洗滌之后，織物表面的MXenes含量幾乎不變。研究人員利用該紗線制作了基于紡織品的電容式壓力傳感器，該傳感器具有高靈敏度、較廣的感應范圍和出色的循環穩定性，在約14％的壓縮應變下可循環2 000次[14]。
除了傳統的針織工藝外，也可以通過三維打印（three-dimensional printing，3DP）直接將多功能纖維素纖維組裝成柔性智能紡織品。Cao等[21]使用2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧自由基（2, 2, 6, 6-tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）介導的氧化纖維素納米原纖維（TEMPO-mediated oxidized cellulose nanofibrils，TOCNFs）和Ti3C2復合，兩種組分的協同作用賦予TOCNFs/Ti3C2混合油墨優異的性能，TOCNFs引導宏觀柔性纖維的形成，而Ti3C2納米片在復合材料中形成導電網絡，有助于提高電導率和光熱轉換能力。具有良好流變性能的TOCNFs/Ti3C2混合油墨可通過3DP制備成各種復雜的結構，制成的柔性多功能纖維和紡織品能夠對外界刺激作出反應，比如通過電阻的變化來檢測人體關節運動。
2.2 納米纖維素薄膜
NCF具有良好的柔韌性、親水性、生物相容性和可降解性，已經廣泛應用于柔性傳感器[22]。這種材料保持了纖維素的優良特性，具有良好的透明性、優異的機械強度以及穩定性。目前已經有較多NCF的研究，制成的薄膜廣泛用作食品或藥品的包裝材料[23]。
以NCF作為柔性基底，將導電活性物質引入到NCF上可以得到理想的傳感設備[24]。將剛性傳感元件引入到纖維素柔性基材中，制成的傳感設備可以集成在服裝上或者貼合在皮膚表面，直接檢測人體生理信號。
2.2.1 生化物質檢測
世界衛生組織已經將口臭列為一種疾病，這種疾病會影響人們的社會交往以及心理健康。口臭的主要致病原因是口腔中某些細菌導致揮發性硫化物，如硫化氫和甲基硫醇等的產生。因此，實時監測人體呼出氣體中的揮發性硫化物對口腔疾病的診斷及治療具有十分重要的意義[25]。Abdel等[26]在二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，將醋酸纖維素與丙三醇、氧化鎢和PPy等共混，利用溶液澆筑法合成了NCF，組裝成的薄膜狀氣體傳感器能夠根據電阻率的變化來監測硫化氫氣體含量，最低檢測限為0.001‰。這種薄膜狀傳感器的厚度為1.7 mm，氧化鎢及PPy等組分在膜內均勻分布，表現出較好的柔韌性。
醫療保健方式的轉變對柔性傳感器提出了新的要求，研究人員期望通過無創檢測以及持續健康監測等方式來保障人體健康[27]。BC具有良好的生物相容性，并且能夠與人體皮膚緊密接觸，即使在出汗等潮濕情況下也能保持與皮膚的良好貼合。Gomes等[28]使用BC作為基底，將乳酸氧化酶固定在BC基底表面制作了一種檢測汗液中乳酸含量的傳感器。制備的傳感器對乳酸含量檢測表現出優異的響應特性，在1.0～24.0 mmol/L線性范圍內的檢測限為1.31 mmol/L，定量限為4.38 mmol/L。
2.2.2 溫度監測
NCF能制成溫度傳感器來實時監測體溫，但是有些柔性傳感器件在使用過程中直接暴露于外界環境，容易受到外界環境的影響導致表面出現劃痕，進而影響材料的傳感性能。將自愈合性引入到纖維素柔性基材中，受到外力損傷后能夠恢復初始性能，實現材料的長效利用，在一定程度上減少電子廢棄物對環境所造成的污染。Kim等[29]使用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）作為基底制備了一種輕薄且可以反復折疊的電子器件，在這種膜材料表面噴水之后即可通過動態氫鍵的形成或者斷裂來賦予材料良好的自愈合性能。材料的自愈合性能受到膜內CNC含量、噴涂溶液的酸堿性和溫度等因素的影響。通過真空過濾和圖像轉移技術，將AuNPs以及PANI/CNT引入到PVA/CNC薄膜中制備超級電容器和溫度傳感器，制備的超級電容器具有良好的電化學性能，溫度傳感器表現出快速線性響應特性，并且兩種設備在100次重復折疊和5次斷裂愈合之后仍能夠保持良好的電氣性能。
2.2.3 環境濕度監測
濕度傳感器在電子皮膚和個人醫療保健應用中發揮重要作用。衡量濕度傳感器的重要指標是靈敏度及響應時間，這主要依賴于使用的納米材料結構，合適的材料結構能夠顯著增強傳感器的靈敏度，縮短響應時間。
Wang等[30]制備了一種透明的纖維素/氫氧化鉀復合離子膜（cellulose/KOH composite ionic film，CKF）作為濕度傳感器，所得CKF在550 nm下的透光率高達87.14%、拉伸模量為37.8 MPa，斷裂伸長率達到43%，在240 ℃的環境中能保持良好的熱穩定性。室溫下，當相對濕度從11.3%增加到97.3%時，CKF電導率變化超過200倍。在11.3%～97.3%相對濕度范圍內，CKF表現出高濕度敏感性和穩定性，響應時間為6 s，而恢復時間為10.8 s。同時，CKF僅對環境濕度變化產生明顯的響應，對溫度和壓力變化并不敏感。用CKF制成的口罩能夠有效對人體的呼吸過程進行監測，滿足實時醫療需求。
2.2.4 人體運動監測
電子皮膚是為生物醫學傳感和人機交互等應用而開發的，所使用的材料需要同時兼備柔韌性和傳感特性。Han等[31]報道了一種高度靈敏，具有生物相容性和良好機械性能的PVA/CNF復合膜，以CNC和CNF作為生物模板，使用氯化鐵作為氧化劑將PPy附著在生物模板上以實現導電組分的良好分散。同時，CNC和CNF也可對PVA基材起到增強作用。弱氫鍵和鐵配位鍵的結合以及組分之間的協同作用賦予材料優異的機械性能（比純PVA增強409%，韌性提升達407.1%）和附著力（附著力為材料自身重量的9 670倍）。復合材料具有良好的自修復性能，受損后，納米復合膜在30 min左右顯示出良好的自修復性能（機械性能恢復72.0%～76.3%，導電性能恢復54.9%～91.2%）。這種柔性納米復合材料在細微應變下表現出較高的應變敏感性，具有出色的傳感性能，可實時監測細微的人體運動（例如手指彎曲運動、吞咽和手腕搏動）。因此，在健康監測及智能柔性皮膚傳感器方面具有巨大的應用潛力。
2.3 纖維素水凝膠
水凝膠具有良好的拉伸性，將剛性導電組分摻入到水凝膠基質中能夠將導電性與可拉伸性結合起來。目前的研究通常是將電子或者離子等導電介質引入CH，以此構建導電CH，根據導電介質不同將導電CH區分為電子導電CH和離子導電CH[32]。
2.3.1 電子導電纖維素水凝膠
電子導電CH是將均勻的納米纖維素/電子導體分散體整合到水凝膠基質中，應用較多的電子導體主要有金屬納米顆粒/金屬納米線、CNT等碳材料以及導電聚合物等[13]。研究人員期望加入的導電填料在增強復合材料導電性能的同時賦予材料良好的機械性能。導電填料濃度及分散程度等因素會對電子導電CH的綜合性能產生影響。導電填料尺寸較小，容易在基質中產生團聚，造成應力集中，削弱復合材料的機械性能，導電組分的分散效果差導致難以形成穩定的導電網絡[33]。納米纖維素具有較大的比表面積，優異的機械性能以及豐富的官能團，能夠促進電子導體在水凝膠中均勻分布，并且能夠保證材料維持一定的機械強度。整合后得到的復合材料中同時包含有納米纖維素/電子導體網絡和水凝膠基質網絡，兩個網絡的協同作用能夠賦予電子導電CH良好的傳感能力[34]，改善材料的可拉伸性能、柔性和韌性等機械性能。
2.3.2 離子導電纖維素水凝膠
離子導電CH是另一種使用較多的CH，這種凝膠是通過在纖維素形成的三維網絡結構中引入離子導電介質而制得的，材料內部含有可供離子自由運動的多孔結構，能夠承受離子在網絡內部的運動，從而使離子導電CH具有良好的導電能力。通常采用合成聚電解質網絡的方法來促進離子在水凝膠中的遷移，或者構建更多的離子移動通道，這兩種方法均可以提高離子導電CH的導電能力[35]。與電子導電CH相比，離子導電CH通常是透明的，這拓寬了離子導電CH的應用范圍。
離子導電CH對環境中的水分比較敏感，環境濕度變化會導致出現脫水或者潮解等問題，限制離子導電CH的長期應用。Wang等[36]基于BC和可聚合深共晶溶劑（polymerizable deep eutectic solvents，PDES）制備了一種新型離子導電CH，PDES在納米纖維素網絡內部進行原位光聚合，BC表面所具有的大量—OH能夠在纖維素與PDES之間形成比較強烈的相互作用，這些結構上的特點能夠賦予材料優良的機械性能（拉伸模量為8 MPa，壓縮模量為6.68 MPa）。這種復合材料在高濕度環境下存放120 d后，機械性能并未出現明顯下降。BC-PDES復合離子導體對拉伸、壓縮、彎曲和溫度表現出不同程度的敏感性，能夠識別來自肢體運動，比如人喉嚨振動或者不同筆跡的微小應變。
2.3.3 纖維素水凝膠的自修復
CH傳感器在實際使用過程中面臨機械損傷等問題，需要材料在受到外力損傷后能盡快恢復機械性能和傳感性能[37]。目前對水凝膠的自修復性能研究已比較廣泛，主要是利用組分之間建立物理作用來實現自修復，比如主客體相互作用、氫鍵或者疏水相互作用等，也有一些水凝膠是通過動態可逆共價鍵的構建來實現自愈合，比如可逆的酰腙鍵、狄爾斯—阿爾德（Diels—Alder）反應和硼酸酯鍵等[38]。
材料保持較強的機械性能一般需要使用穩定的交聯網絡，這與自修復所需要的動態交聯網絡相矛盾[39]，保持材料良好的機械性能和自修復性能仍然是一個挑戰。Ye等[40]通過PVA和CNF在二甲亞砜—水溶劑體系中發生的溶膠—凝膠轉變，制備了一種透明且具有良好機械強度的CH，證明了CNF在增強機械性能和提高離子電導率方面具有協同作用。基于纖維素的復合水凝膠具有理想的透明度和抗凍能力[41]，Ye等[40]制作的傳感器即使在? 70 ℃時仍具有良好的韌性（5.25 MJ/m3）和導電性（1.1 S/cm），能夠實現對人體運動情況的監測。
近幾年來，模擬人體皮膚功能的導電自修復水凝膠已經取得了一定的進展。Shao等[42]通過在共價聚合物網絡中單寧酸（tannic acid，TA）包覆的CNC（TA-coated CNC，TA@CNC）、聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA）鏈和金屬離子之間構建協同的多重配位鍵，設計了一種堅韌、自愈合和自黏附的離子凝膠。TA@CNC在由多個配位鍵介導的分級多孔網絡中充當動態連接橋，能夠賦予材料良好的機械性能，CNC含量為0.6%（質量百分比）時材料的斷裂伸長率高達2 900%，同時凝膠網絡中存在的TA@CNC對彈性模量也有增強作用。將復合凝膠浸入金屬鹽溶液中，通過引入金屬離子在材料內部形成配位鍵，結合本身所含有的部分物理交聯，凝膠材料表現出一定的自修復性能，初始抗張強度為300 kPa，經過30 min自愈合，抗張強度恢復至275 kPa。
Song等[43]使用表面含有較多羧酸基團的多枝化CNC作為模板，將PANI涂覆在多枝化CNC表面，引入到硼砂摻雜的PVA水凝膠中起增強作用，賦予材料良好的機械性能（抗張強度達到171.52 kPa，斷裂伸長率為1 085%）。水凝膠內部含有的氫鍵和動態硼酸酯鍵使得材料具有快速自修復的性能，受損傷后水凝膠材料的機械性能在3 min時可以恢復至99%。Wang等[44]將具有抗菌作用和導電功能的AgNPs涂敷在CNF上，以CNF網絡和聚丙烯酰胺網絡為基質制備復合水凝膠，雙網絡結構賦予水凝膠優異的機械性能（拉伸強度為717 kPa，斷裂伸長率為1 140%），在經過1 000次拉伸—回縮實驗后材料依然保持穩定的傳感能力。Wang等[44]制備得到的柔性傳感器具備多模式傳感檢測、檢測范圍寬以及靈敏度高等優異的性能。
3 總結與展望
納米纖維素具有來源廣、成本低、獲取方便等優點，是一種能夠替代石油基聚合物的理想材料，本綜述主要介紹了納米纖維素在柔性傳感器中的應用。人體健康檢測使用的傳感器需要與皮膚或者其他組織緊密接觸，以保證傳感器獲得準確穩定的信號。它們在體溫及濕度監測、生化物質檢測以及運動監測等方面有廣泛的應用。納米纖維素具有理想的生物相容性，作為植入體內器件的基材或者是與人體緊密接觸的傳感器，在使用時能夠避免引起排異反應。柔性傳感器直接附著于人體皮膚表面，需要考慮材料的透氣性能，避免因透氣性差而引起皮膚炎癥。納米纖維素具有良好的可降解能力，植入體內后能夠降解，避免二次手術帶來的傷害，與傳統的柔性基底相比有明顯的優勢。在一些力學性能較弱的凝膠體系中還可以通過引入納米纖維素作為物理交聯點，增強凝膠網絡，拓展了纖維素作為柔性基材的應用領域。
盡管納米纖維素在柔性電子傳感器件特別是可穿戴設備中前景廣闊，然而面對日益增長的實際需要，納米纖維素在此方面仍然面臨如下挑戰。
首先，諸如金屬材料、碳基材料以及導電聚合物等活性組分與納米纖維素的復合可賦予納米纖維素獨特的功能，但是活性組分不易加工，且與納米纖維素之間的相互作用較差，降低了材料的傳感靈敏度。針對這一問題，考慮到納米纖維素易于修飾，可通過改性納米纖維素的表面以增強活性組分與納米纖維素之間的界面結合來促進兩者的復合，從而達到豐富納米纖維素柔性傳感器功能的目的。
其次，納米纖維素柔性傳感器的機械性能仍有待提高。針對這一問題，對納米纖維素柔性傳感器進行新型結構設計，以保證在良好傳感性能的基礎上獲得優異的機械性能。例如在可伸縮電子設備中引入島橋結構[45]，納米纖維素可以充當剛性組分之間的橋梁，改善傳感器的拉伸性能。
第三，柔性傳感器在使用過程中也面臨表面易被污染等問題，在一定程度上會影響傳感器的功能，之后的研究需要通過構建特殊的表面結構以實現自清潔功能。
納米纖維素是一種能夠用于柔性傳感器的理想材料。目前，在柔性傳感器領域中的重要問題是如何實現多種傳感功能的集成以及進一步提高其機械性能。構建高性能、多功能的柔性傳感器對于身體健康狀況的實時監控十分重要。隨著研究的不斷深入，基于納米纖維素的柔性傳感器將不斷被優化，向著產業化的方向不斷前進。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻說明：孫鵬負責相關文獻的收集和分析及綜述初稿的寫作，杜昀怡負責文獻調研和分析整理，原續波負責文獻調研及寫作指導，侯信負責綜述構思及審閱，趙瑾負責綜述最終版本修訂。
引言
隨著經濟社會的快速發展，我國人口數量急劇上升，傳統的醫療資源已經不能滿足社會發展的需求。其中供需不平衡促使醫療保健方式發生根本性轉變，朝著更加智能、快捷與可持續發展方向不斷進步。實現智能醫療需要有實體物質作為基礎，將傳統醫療方式與智能生物傳感器、可穿戴設備以及信息通信技術連接在一起[1]，這對高性能柔性傳感器提出了新的需求。
柔性電子學的快速發展使得一些材料適合用于柔性傳感設備、醫療保健領域和仿生智能機器人等[2]。多種天然聚合物已經用作柔性基材，比如殼聚糖（chitosan，CTS）、膠原蛋白、蠶絲、明膠和纖維素等[3]，其中纖維素是一種常見的天然聚合物，來源非常廣泛，植物中存在大量的纖維素，天然棉纖維（cotton fiber，CF）中有98%的纖維素，木材中的纖維素含量范圍是10%～90%[4]。部分細菌可以合成纖維素，比如醋酸菌屬、土壤桿菌屬、根瘤菌屬和八疊球菌屬等[5]。納米纖維素是一種至少有一維是納米尺寸范圍內的纖維素材料，可以從植物中分離或者從細菌中獲得。納米纖維素主要可以分為三類，包括纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals，CNC）、纖維素納米纖維（cellulose nanofibers，CNF）以及細菌纖維素（bacterial cellulose，BC）[6]。
如圖1所示，納米纖維素可以形成不同尺寸與形態的材料，比如寬度小于100 nm的一維CNF、采用過濾或澆筑等方法制備的二維納米纖維素薄膜（nanocellulose film，NCF）以及通過棒狀納米顆粒自組裝形成的三維纖維素水凝膠（cellulose hydrogel，CH）等[7]。
圖1
納米纖維素形成不同尺寸與形態的材料及其應用
Figure1.
Nanocellulose forms materials of different sizes and shapes and their applications
1 纖維素及納米纖維素的結構與性能
纖維素是由葡萄糖單元組成的長鏈，具有扁平帶狀構象，相鄰的兩個脫水葡萄糖環通過氧共價鍵合，連接點分別是C1和C4，即形成β-1，4-糖苷鍵。來自不同源材料的纖維素具有不同的聚合度，大致為1 000～1 500[8]。纖維素中的分子內和分子間氫鍵在穩定纖維素構象的同時能夠賦予材料較大的軸向模量，根據文獻[9]報道，不同的模型中預測出不同的軸向模量，大致為100～160 GPa，與凱夫拉（Kevlar）纖維相當。多個纖維素分子鏈通過范德華力和分子間的氫鍵相互堆疊在一起形成纖維素原纖維，其中存在由纖維素分子鏈規則排列形成的有序晶區以及雜亂排列形成的無序區。在較大機械作用下，無序區的分子鏈發生斷裂，從而將有序晶區以比較完整的狀態提取出來，由此制備得到的CNC長徑比適中，其長度尺寸大約為50～500 nm，寬度范圍為3～50 nm。
纖維素及納米纖維素的制取分為兩條技術路線，一是稀酸預水解、有機酸處理、低共熔溶劑分餾以及酶輔助水解等“自上而下”的技術路線[10]，二是利用堿/尿素溶液、離子液體（ionic liquids，ILs）和熔融無機鹽水合物等制備再生纖維素或者是通過細菌生化生產BC等“自下而上”的技術路線[11]。
纖維素分子側鏈具有的大量羥基（—OH）使得纖維素存在分子內和分子間氫鍵，賦予纖維素良好的機械性能，比如高強度和良好的柔韌性。同時這些豐富的—OH也使得纖維素能夠與其他多種材料相互雜化，比如用作電極的粘合劑。此外伯羥基（—CH2OH）具有良好的化學修飾能力，能夠很方便地進行化學改性。納米纖維素表面改性技術通常用于引入一些帶電和疏水基團，這樣的方法包括陽離子化、羧基化、酯化、接枝、磺化、酰胺化、半乙酸化以及磷酸酯化等[12]。纖維素所具有的易于修飾以及可整合的特性使得其在功能材料合成領域具有廣闊的應用前景。
2 納米纖維素在柔性傳感器中的應用
2.1 纖維素納米纖維
CNF是通過機械作用制備得到的一種應用廣泛的納米材料，加工方便且具有良好的柔韌性以及優異的熱穩定性，基于CNF的一維纖維素材料用作紡線在紡織傳感領域有重要的應用前景。
紡織傳感技術是新一輪科技革命和產業變革中的關鍵技術，目前市面上已經出現了由導電纖維紡織而成的智能服裝。此類智能服裝通過將金屬材料［如金/銀納米粒子（gold/silver nanoparticles，Au/AgNPs）］、碳基材料［如碳納米管（carbon nanotubes，CNT）、石墨烯（graphene，GR）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）和還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）］以及導電聚合物［如聚苯胺（polyaniline，PANI）和聚吡咯（polypyrrole，PPy）］等功能性無機或有機組分引入到相互連結形成的纖維素網狀結構中，獲得具有優異機械強度和傳感能力的多維導電纖維[13]。具有優良耐磨性能的纖維素纖維材料能夠有效防止活性組分在使用過程中或者洗滌時從纖維素基質上脫落[14]。
2.1.1 生化物質檢測
生化物質的檢測可用于疾病診斷或者評價治療效果[15]。納米纖維素具有良好的生物相容性，是柔性生物傳感器的理想材料。目前已經開發了多種可檢測生化物質的納米纖維素基柔性生物傳感器，Promphet等[16]報道了一種基于棉線的比色傳感器，用于檢測汗液中含有的葡萄糖和尿素。為了提高酶固定效率以及增強傳感性能，研究人員使用CNF/CTS-GO對棉線表面進行修飾。該系統根據酶促反應和生色試劑反應引起的顏色變化來檢測葡萄糖和尿素，葡萄糖和尿素的線性檢測范圍分別是0.1～3 mmol和30～180 mmol。該傳感器能夠方便地集成到衣物上，實現對糖尿病和腎功能衰竭同時診斷，達到實時監測人體健康狀況的目的。
2.1.2 溫度監測
新型冠狀病毒引起的肺炎疫情防控形勢嚴峻，防控關鍵是阻斷病毒傳播。傳統的體溫監測方式無法避免醫護人員與患者近距離接觸，增加了感染風險，為實現無接觸式實時溫度監測，需要設計新型溫度傳感裝置。優異的傳感性能依賴于材料各組分之間的協同作用，濕法紡絲是一種將活性組分集成到纖維中的常見方法。Teng等[17]采用一種簡單可控的濕法紡絲技術，利用GR和CNF之間的相互作用和插層效應制備了一種具有皮芯結構的CNF/GR@PANI微纖維，層間的相互作用主要是π-π堆積、靜電相互作用以及氫鍵作用，高度定向的PANI納米棒通過原位沉積的方法接到皮芯纖維表面，該纖維具有優異的機械性能（抗拉強度為476.25 MPa）。CNF/GR@PANI微纖維表面沉積有PANI，斷裂伸長率與CNF/GR微纖維相比有所下降，但CNF/GR@PANI微纖維具有出色的柔韌性，制成的電容器可以貼附在人體表面，其體積電容會隨溫度的變化而產生相應變化，實現對人體體溫的實時監測。
隨著智能紡織物的發展，多功能傳感纖維受到廣泛關注，但是難以大規模量產依然是阻礙其產業化的重要原因。Jing等[18]受到蛛絲結構的啟發，通過旋轉凝固浴進行同軸濕法紡絲得到含有取向CNT的同軸纖維。該纖維具有皮芯結構，纖維素在外部包圍著緊密取向的CNT，這種結構的形成是因為在旋轉凝固液中同時發生了纖維素的再生以及CNT的規則取向。皮芯結構賦予材料優異的性能，表現出較高的導電率（872 S/m）以及良好的機械強度（抗拉強度為113.8 MPa）。這種同軸纖維構建的傳感器在使用時表現出較高的靈敏度，具有快速響應以及重現性好等優點。在溫度傳感方面，由這種材料得到的傳感器能夠對外界環境中20～100 ℃的溫度變化作出準確響應。
2.1.3 人體運動監測
康復治療過程中通常需要使用應變傳感系統，對人體的細微運動作出快速靈敏的反應，從而有效評價治療效果。除了單獨引入CNT外，有研究將碳材料與導電聚合物結合作為纖維素紡紗的功能組分。Cai等[19]通過包芯紡紗技術制備了一種多功能皮芯紗，PPy通過原位聚合沉積在CF/CNT紗線表面，提供導電能力。此種多功能皮芯紗具有優異的可拉伸性能，拉伸變形400%后能保持纖維的相對完整，這與PPy的原位聚合有關，制備過程中材料在冷水環境中發生收縮，之后再經過后處理發生膨脹，使得材料內部的扭曲得到恢復，從而產生良好的拉伸性能，集成的應變傳感系統可有效監測人體運動。
二維過渡金屬碳化物/氮化物（two-dimensional transition metal carbide/nitride，MXenes），其通式為Mn + 1XnTx［其中M為過渡金屬，X為碳或氮原子，n值通常為1、2或3，Tx表示表面基團，如羥基（—OH）、氧（—O）、氟（—F）等］，具有較高的電導率（薄膜狀材料電導率為10 000 S/cm，體積電容為1 500 F/cm3）[20]。目前，已經有較多針對MXenes在傳感器領域的應用研究正陸續展開。碳化鈦（Ti3C2）是最為典型的一種MXenes，文獻[14]報道，在纖維素紗線上涂覆Ti3C2，處理后的紗線具有良好的導電能力，并且可以使用工業編織機織成紡織品。結果表明，MXenes含量高達77％（質量百分比；≈ 2.2 mg/cm）的紗線電導率可以達到440 S/cm。在30～80 ℃的溫度下重復洗滌之后，織物表面的MXenes含量幾乎不變。研究人員利用該紗線制作了基于紡織品的電容式壓力傳感器，該傳感器具有高靈敏度、較廣的感應范圍和出色的循環穩定性，在約14％的壓縮應變下可循環2 000次[14]。
除了傳統的針織工藝外，也可以通過三維打印（three-dimensional printing，3DP）直接將多功能纖維素纖維組裝成柔性智能紡織品。Cao等[21]使用2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧自由基（2, 2, 6, 6-tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）介導的氧化纖維素納米原纖維（TEMPO-mediated oxidized cellulose nanofibrils，TOCNFs）和Ti3C2復合，兩種組分的協同作用賦予TOCNFs/Ti3C2混合油墨優異的性能，TOCNFs引導宏觀柔性纖維的形成，而Ti3C2納米片在復合材料中形成導電網絡，有助于提高電導率和光熱轉換能力。具有良好流變性能的TOCNFs/Ti3C2混合油墨可通過3DP制備成各種復雜的結構，制成的柔性多功能纖維和紡織品能夠對外界刺激作出反應，比如通過電阻的變化來檢測人體關節運動。
2.2 納米纖維素薄膜
NCF具有良好的柔韌性、親水性、生物相容性和可降解性，已經廣泛應用于柔性傳感器[22]。這種材料保持了纖維素的優良特性，具有良好的透明性、優異的機械強度以及穩定性。目前已經有較多NCF的研究，制成的薄膜廣泛用作食品或藥品的包裝材料[23]。
以NCF作為柔性基底，將導電活性物質引入到NCF上可以得到理想的傳感設備[24]。將剛性傳感元件引入到纖維素柔性基材中，制成的傳感設備可以集成在服裝上或者貼合在皮膚表面，直接檢測人體生理信號。
2.2.1 生化物質檢測
世界衛生組織已經將口臭列為一種疾病，這種疾病會影響人們的社會交往以及心理健康。口臭的主要致病原因是口腔中某些細菌導致揮發性硫化物，如硫化氫和甲基硫醇等的產生。因此，實時監測人體呼出氣體中的揮發性硫化物對口腔疾病的診斷及治療具有十分重要的意義[25]。Abdel等[26]在二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，將醋酸纖維素與丙三醇、氧化鎢和PPy等共混，利用溶液澆筑法合成了NCF，組裝成的薄膜狀氣體傳感器能夠根據電阻率的變化來監測硫化氫氣體含量，最低檢測限為0.001‰。這種薄膜狀傳感器的厚度為1.7 mm，氧化鎢及PPy等組分在膜內均勻分布，表現出較好的柔韌性。
醫療保健方式的轉變對柔性傳感器提出了新的要求，研究人員期望通過無創檢測以及持續健康監測等方式來保障人體健康[27]。BC具有良好的生物相容性，并且能夠與人體皮膚緊密接觸，即使在出汗等潮濕情況下也能保持與皮膚的良好貼合。Gomes等[28]使用BC作為基底，將乳酸氧化酶固定在BC基底表面制作了一種檢測汗液中乳酸含量的傳感器。制備的傳感器對乳酸含量檢測表現出優異的響應特性，在1.0～24.0 mmol/L線性范圍內的檢測限為1.31 mmol/L，定量限為4.38 mmol/L。
2.2.2 溫度監測
NCF能制成溫度傳感器來實時監測體溫，但是有些柔性傳感器件在使用過程中直接暴露于外界環境，容易受到外界環境的影響導致表面出現劃痕，進而影響材料的傳感性能。將自愈合性引入到纖維素柔性基材中，受到外力損傷后能夠恢復初始性能，實現材料的長效利用，在一定程度上減少電子廢棄物對環境所造成的污染。Kim等[29]使用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）作為基底制備了一種輕薄且可以反復折疊的電子器件，在這種膜材料表面噴水之后即可通過動態氫鍵的形成或者斷裂來賦予材料良好的自愈合性能。材料的自愈合性能受到膜內CNC含量、噴涂溶液的酸堿性和溫度等因素的影響。通過真空過濾和圖像轉移技術，將AuNPs以及PANI/CNT引入到PVA/CNC薄膜中制備超級電容器和溫度傳感器，制備的超級電容器具有良好的電化學性能，溫度傳感器表現出快速線性響應特性，并且兩種設備在100次重復折疊和5次斷裂愈合之后仍能夠保持良好的電氣性能。
2.2.3 環境濕度監測
濕度傳感器在電子皮膚和個人醫療保健應用中發揮重要作用。衡量濕度傳感器的重要指標是靈敏度及響應時間，這主要依賴于使用的納米材料結構，合適的材料結構能夠顯著增強傳感器的靈敏度，縮短響應時間。
Wang等[30]制備了一種透明的纖維素/氫氧化鉀復合離子膜（cellulose/KOH composite ionic film，CKF）作為濕度傳感器，所得CKF在550 nm下的透光率高達87.14%、拉伸模量為37.8 MPa，斷裂伸長率達到43%，在240 ℃的環境中能保持良好的熱穩定性。室溫下，當相對濕度從11.3%增加到97.3%時，CKF電導率變化超過200倍。在11.3%～97.3%相對濕度范圍內，CKF表現出高濕度敏感性和穩定性，響應時間為6 s，而恢復時間為10.8 s。同時，CKF僅對環境濕度變化產生明顯的響應，對溫度和壓力變化并不敏感。用CKF制成的口罩能夠有效對人體的呼吸過程進行監測，滿足實時醫療需求。
2.2.4 人體運動監測
電子皮膚是為生物醫學傳感和人機交互等應用而開發的，所使用的材料需要同時兼備柔韌性和傳感特性。Han等[31]報道了一種高度靈敏，具有生物相容性和良好機械性能的PVA/CNF復合膜，以CNC和CNF作為生物模板，使用氯化鐵作為氧化劑將PPy附著在生物模板上以實現導電組分的良好分散。同時，CNC和CNF也可對PVA基材起到增強作用。弱氫鍵和鐵配位鍵的結合以及組分之間的協同作用賦予材料優異的機械性能（比純PVA增強409%，韌性提升達407.1%）和附著力（附著力為材料自身重量的9 670倍）。復合材料具有良好的自修復性能，受損后，納米復合膜在30 min左右顯示出良好的自修復性能（機械性能恢復72.0%～76.3%，導電性能恢復54.9%～91.2%）。這種柔性納米復合材料在細微應變下表現出較高的應變敏感性，具有出色的傳感性能，可實時監測細微的人體運動（例如手指彎曲運動、吞咽和手腕搏動）。因此，在健康監測及智能柔性皮膚傳感器方面具有巨大的應用潛力。
2.3 纖維素水凝膠
水凝膠具有良好的拉伸性，將剛性導電組分摻入到水凝膠基質中能夠將導電性與可拉伸性結合起來。目前的研究通常是將電子或者離子等導電介質引入CH，以此構建導電CH，根據導電介質不同將導電CH區分為電子導電CH和離子導電CH[32]。
2.3.1 電子導電纖維素水凝膠
電子導電CH是將均勻的納米纖維素/電子導體分散體整合到水凝膠基質中，應用較多的電子導體主要有金屬納米顆粒/金屬納米線、CNT等碳材料以及導電聚合物等[13]。研究人員期望加入的導電填料在增強復合材料導電性能的同時賦予材料良好的機械性能。導電填料濃度及分散程度等因素會對電子導電CH的綜合性能產生影響。導電填料尺寸較小，容易在基質中產生團聚，造成應力集中，削弱復合材料的機械性能，導電組分的分散效果差導致難以形成穩定的導電網絡[33]。納米纖維素具有較大的比表面積，優異的機械性能以及豐富的官能團，能夠促進電子導體在水凝膠中均勻分布，并且能夠保證材料維持一定的機械強度。整合后得到的復合材料中同時包含有納米纖維素/電子導體網絡和水凝膠基質網絡，兩個網絡的協同作用能夠賦予電子導電CH良好的傳感能力[34]，改善材料的可拉伸性能、柔性和韌性等機械性能。
2.3.2 離子導電纖維素水凝膠
離子導電CH是另一種使用較多的CH，這種凝膠是通過在纖維素形成的三維網絡結構中引入離子導電介質而制得的，材料內部含有可供離子自由運動的多孔結構，能夠承受離子在網絡內部的運動，從而使離子導電CH具有良好的導電能力。通常采用合成聚電解質網絡的方法來促進離子在水凝膠中的遷移，或者構建更多的離子移動通道，這兩種方法均可以提高離子導電CH的導電能力[35]。與電子導電CH相比，離子導電CH通常是透明的，這拓寬了離子導電CH的應用范圍。
離子導電CH對環境中的水分比較敏感，環境濕度變化會導致出現脫水或者潮解等問題，限制離子導電CH的長期應用。Wang等[36]基于BC和可聚合深共晶溶劑（polymerizable deep eutectic solvents，PDES）制備了一種新型離子導電CH，PDES在納米纖維素網絡內部進行原位光聚合，BC表面所具有的大量—OH能夠在纖維素與PDES之間形成比較強烈的相互作用，這些結構上的特點能夠賦予材料優良的機械性能（拉伸模量為8 MPa，壓縮模量為6.68 MPa）。這種復合材料在高濕度環境下存放120 d后，機械性能并未出現明顯下降。BC-PDES復合離子導體對拉伸、壓縮、彎曲和溫度表現出不同程度的敏感性，能夠識別來自肢體運動，比如人喉嚨振動或者不同筆跡的微小應變。
2.3.3 纖維素水凝膠的自修復
CH傳感器在實際使用過程中面臨機械損傷等問題，需要材料在受到外力損傷后能盡快恢復機械性能和傳感性能[37]。目前對水凝膠的自修復性能研究已比較廣泛，主要是利用組分之間建立物理作用來實現自修復，比如主客體相互作用、氫鍵或者疏水相互作用等，也有一些水凝膠是通過動態可逆共價鍵的構建來實現自愈合，比如可逆的酰腙鍵、狄爾斯—阿爾德（Diels—Alder）反應和硼酸酯鍵等[38]。
材料保持較強的機械性能一般需要使用穩定的交聯網絡，這與自修復所需要的動態交聯網絡相矛盾[39]，保持材料良好的機械性能和自修復性能仍然是一個挑戰。Ye等[40]通過PVA和CNF在二甲亞砜—水溶劑體系中發生的溶膠—凝膠轉變，制備了一種透明且具有良好機械強度的CH，證明了CNF在增強機械性能和提高離子電導率方面具有協同作用。基于纖維素的復合水凝膠具有理想的透明度和抗凍能力[41]，Ye等[40]制作的傳感器即使在? 70 ℃時仍具有良好的韌性（5.25 MJ/m3）和導電性（1.1 S/cm），能夠實現對人體運動情況的監測。
近幾年來，模擬人體皮膚功能的導電自修復水凝膠已經取得了一定的進展。Shao等[42]通過在共價聚合物網絡中單寧酸（tannic acid，TA）包覆的CNC（TA-coated CNC，TA@CNC）、聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA）鏈和金屬離子之間構建協同的多重配位鍵，設計了一種堅韌、自愈合和自黏附的離子凝膠。TA@CNC在由多個配位鍵介導的分級多孔網絡中充當動態連接橋，能夠賦予材料良好的機械性能，CNC含量為0.6%（質量百分比）時材料的斷裂伸長率高達2 900%，同時凝膠網絡中存在的TA@CNC對彈性模量也有增強作用。將復合凝膠浸入金屬鹽溶液中，通過引入金屬離子在材料內部形成配位鍵，結合本身所含有的部分物理交聯，凝膠材料表現出一定的自修復性能，初始抗張強度為300 kPa，經過30 min自愈合，抗張強度恢復至275 kPa。
Song等[43]使用表面含有較多羧酸基團的多枝化CNC作為模板，將PANI涂覆在多枝化CNC表面，引入到硼砂摻雜的PVA水凝膠中起增強作用，賦予材料良好的機械性能（抗張強度達到171.52 kPa，斷裂伸長率為1 085%）。水凝膠內部含有的氫鍵和動態硼酸酯鍵使得材料具有快速自修復的性能，受損傷后水凝膠材料的機械性能在3 min時可以恢復至99%。Wang等[44]將具有抗菌作用和導電功能的AgNPs涂敷在CNF上，以CNF網絡和聚丙烯酰胺網絡為基質制備復合水凝膠，雙網絡結構賦予水凝膠優異的機械性能（拉伸強度為717 kPa，斷裂伸長率為1 140%），在經過1 000次拉伸—回縮實驗后材料依然保持穩定的傳感能力。Wang等[44]制備得到的柔性傳感器具備多模式傳感檢測、檢測范圍寬以及靈敏度高等優異的性能。
3 總結與展望
納米纖維素具有來源廣、成本低、獲取方便等優點，是一種能夠替代石油基聚合物的理想材料，本綜述主要介紹了納米纖維素在柔性傳感器中的應用。人體健康檢測使用的傳感器需要與皮膚或者其他組織緊密接觸，以保證傳感器獲得準確穩定的信號。它們在體溫及濕度監測、生化物質檢測以及運動監測等方面有廣泛的應用。納米纖維素具有理想的生物相容性，作為植入體內器件的基材或者是與人體緊密接觸的傳感器，在使用時能夠避免引起排異反應。柔性傳感器直接附著于人體皮膚表面，需要考慮材料的透氣性能，避免因透氣性差而引起皮膚炎癥。納米纖維素具有良好的可降解能力，植入體內后能夠降解，避免二次手術帶來的傷害，與傳統的柔性基底相比有明顯的優勢。在一些力學性能較弱的凝膠體系中還可以通過引入納米纖維素作為物理交聯點，增強凝膠網絡，拓展了纖維素作為柔性基材的應用領域。
盡管納米纖維素在柔性電子傳感器件特別是可穿戴設備中前景廣闊，然而面對日益增長的實際需要，納米纖維素在此方面仍然面臨如下挑戰。
首先，諸如金屬材料、碳基材料以及導電聚合物等活性組分與納米纖維素的復合可賦予納米纖維素獨特的功能，但是活性組分不易加工，且與納米纖維素之間的相互作用較差，降低了材料的傳感靈敏度。針對這一問題，考慮到納米纖維素易于修飾，可通過改性納米纖維素的表面以增強活性組分與納米纖維素之間的界面結合來促進兩者的復合，從而達到豐富納米纖維素柔性傳感器功能的目的。
其次，納米纖維素柔性傳感器的機械性能仍有待提高。針對這一問題，對納米纖維素柔性傳感器進行新型結構設計，以保證在良好傳感性能的基礎上獲得優異的機械性能。例如在可伸縮電子設備中引入島橋結構[45]，納米纖維素可以充當剛性組分之間的橋梁，改善傳感器的拉伸性能。
第三，柔性傳感器在使用過程中也面臨表面易被污染等問題，在一定程度上會影響傳感器的功能，之后的研究需要通過構建特殊的表面結構以實現自清潔功能。
納米纖維素是一種能夠用于柔性傳感器的理想材料。目前，在柔性傳感器領域中的重要問題是如何實現多種傳感功能的集成以及進一步提高其機械性能。構建高性能、多功能的柔性傳感器對于身體健康狀況的實時監控十分重要。隨著研究的不斷深入，基于納米纖維素的柔性傳感器將不斷被優化，向著產業化的方向不斷前進。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻說明：孫鵬負責相關文獻的收集和分析及綜述初稿的寫作，杜昀怡負責文獻調研和分析整理，原續波負責文獻調研及寫作指導，侯信負責綜述構思及審閱，趙瑾負責綜述最終版本修訂。
