仿生柔性可拉伸螺旋结构：基于Ti3C2TxMXene/AgNPs功能化压电纳米纤维的高效能量收集与植入式医疗应用

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：Bioinspired Flexible and Stretchable Coil Structure from Ti3C2TxMXene/AgNPs-Functionalized Piezoelectric Nanofibers for Enhanced Energy Harvesting

本文聚焦可穿戴电子与植入式医疗设备对可持续自供电系统的迫切需求，提出一种基于Ti3C2TxMXene/银纳米颗粒（AgNPs）改性P(VDF-TrFE)压电纳米纤维的仿生螺旋线圈结构，突破传统压电材料低应变响应与低能量转换效率瓶颈，实现17%的机械-电能转化率与6.6 mW cm?3功率密度，为心脏起搏器等植入式器械提供无电池供能新策略。

　　

随着智能手表、软体机器人和植入式心脏起搏器等技术的普及，人类对可持续能源的需求日益迫切。然而，传统电池寿命有限、更换困难，且电子废弃物对环境造成巨大压力——预计到2030年全球电子垃圾将达8200万吨。如何让微型电子设备“自己发电”，成为科学家们亟待解决的难题。压电材料能够将走路、心跳等机械能转化为电能，理论上可为植入式设备提供永久动力，但现有压电聚合物如PVDF及其共聚物存在压电系数低（d_ij小）、柔性不足等问题，难以在人体低频率、小幅度的生理活动中高效工作。

针对这一挑战，研究人员受DNA双螺旋、植物卷须等自然结构的启发，创新性地设计了一种仿生螺旋线圈结构。他们以高分子材料P(VDF-TrFE)（聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物）为基底，加入二维材料Ti₃C₂T_xMXene和银纳米颗粒（AgNPs）作为功能性填料，通过静电纺丝技术制备出直径仅313纳米的复合纳米纤维，再将其扭转成螺旋线圈。这种“材料+结构”的双重优化策略，不仅提升了材料的压电性能，还赋予器件超强拉伸性（可达200%应变），成功实现了在微小生理运动下的高效能量收集。研究成果发表于《ENERGY》期刊。

本研究的关键技术方法包括：采用MILD（最小强度层剥离）法合成Ti₃C₂T_xMXene单层片状结构；通过静电纺丝工艺制备P(VDF-TrFE)/MXene/AgNPs复合纳米纤维膜；利用步进电机扭转纤维带形成螺旋线圈并进行热退火定型；通过压电力显微镜（PFM）、X射线衍射（XRD）等技术表征材料结构与压电性能；搭建气球模拟心跳装置与轴向拉伸平台测试器件能量输出。

2.1 纳米纤维的形态与结构表征

通过扫描电镜观察发现，添加MXene/AgNPs后，纳米纤维直径从纯P(VDF-TrFE)的560纳米降至313纳米，且分布更均匀。随着静电纺丝时间从30分钟增至120分钟，纤维膜厚度增加，所得线圈外径从343微米扩大至595微米。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，复合纤维在840 cm^?1处出现β晶相特征峰——这是P(VDF-TrFE)产生压电效应的关键结构。得益于MXene片层与聚合物链的氢键作用，以及AgNPs促进的分子链取向，复合材料的β晶相含量比纯P(VDF-TrFE)提高30%，经线圈成型与退火后进一步提升至70%。X射线衍射（XRD）证实了MXene（2θ=6.9°）和AgNPs（2θ=38.1°、44.1°）的成功引入。差示扫描量热（DSC）分析表明，填料的异相成核作用使结晶度从53.4%提升至65.7%。力学测试显示，复合纤维膜的杨氏模量与拉伸强度分别提高2倍和45%（达58 MPa），且螺旋线圈结构在200%应变内表现出弹性变形能力，远超传统平面结构。

2.2 纤维的电学与机电特性

压电力显微镜（PFM）定量分析显示，含1 wt% AgNPs的复合纤维压电响应最强，过量AgNPs（2 wt%）则因超过渗流阈值导致性能下降。纵向压电系数d₃₃从纯体系的4 pC/N大幅提升至11.3 pC/N，而横向系数d₃₁较低，说明材料更适合轴向受力场景。介电常数随AgNPs含量增加从34升至88，归因于MXene/AgNPs形成的微电容器网络增强了界面极化。1 wt% AgNPs样品在保持高介电常数的同时损耗最低，综合性能最优。

2.3 电纺膜与线圈结构的机电性能

为模拟实际应用，研究人员设计了两种刺激模式：一是轴向拉伸螺旋线圈（模拟肌肉收缩），二是用充气气球按压电纺膜传感器（模拟心跳）。结果显示，30分钟电纺制得的线圈在50%应变下输出电压达2.35 V，功率密度为6.6 mW cm^?3，能量转换效率达16.5%，是同类螺旋结构的2倍以上。对于电纺膜传感器，2×3 cm尺寸在7 kPa压力、1 Hz频率下产生3 V电压，输出功率70 μW，且性能稳定。对比其他可拉伸结构（如折纸形、针织形），该仿生线圈在输出电压与拉伸性方面均具显著优势。

本研究表明，Ti₃C₂T_xMXene/AgNPs功能化的P(VDF-TrFE)仿生螺旋线圈结构，成功解决了柔性压电器件应变响应弱、能量转换效率低的难题。其高达17%的机械-电能转化率和6.6 mW cm^?3的功率密度，为植入式医疗设备（如心脏起搏器、神经刺激器）提供了无需电池的自供电解决方案。该设计兼顾了材料改性（提升β晶相与压电系数）与结构优化（螺旋几何增强柔韧性），在低频率、小应变生理活动中表现优异，且制备工艺简便、成本可控，有望推动可穿戴电子与植入式医疗器械向更可持续的方向发展。