現(xiàn)代職業(yè)中長(zhǎng)時(shí)間站立或久坐的工作狀態(tài)容易導(dǎo)致肌肉僵硬、血液循環(huán)不暢和新陳代謝率下降，進(jìn)而可能引發(fā)肌肉萎縮、靜脈曲張和血栓等疾病。微電流療法（MCT）能有效促進(jìn)血液循環(huán)和代謝，預(yù)防此類疾病。然而，現(xiàn)有的MCT設(shè)備受限于材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難以在最佳療效與患者舒適度之間取得平衡。特別是，許多柔性聚合物基穿戴式MCT設(shè)備的透氣性不足，影響了其臨床適用性。

近日，中科院力學(xué)所蘇業(yè)旺研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種用于微電流治療的多級(jí)針織結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物，該織物集優(yōu)異的導(dǎo)電性、透氣性和熱舒適性于一體。為滿足MCT嚴(yán)格的電流要求，研究團(tuán)隊(duì)建立了多級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物電阻-應(yīng)變關(guān)系的分析模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該織物具備出色的重復(fù)使用性、耐洗性和耐磨性。作為設(shè)備級(jí)示例，導(dǎo)電織物被用于制作可穿戴的MCT襪子，具有大面積治療和便攜的特點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)最終證明，該MCT襪子能有效促進(jìn)血液循環(huán)和新陳代謝。這項(xiàng)發(fā)展為結(jié)合卓越透氣性、舒適性和電學(xué)性能的治療平臺(tái)提供了重要進(jìn)展。相關(guān)論文以“Multilevel Knitted-Structure Conductive Fabrics for Microcurrent Therapy”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究通過(guò)示意圖直觀展示了基于導(dǎo)電織物的MCT設(shè)備與基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）設(shè)備的對(duì)比，凸顯了前者在拉伸性、治療功能、滲透性和舒適度方面的綜合優(yōu)勢(shì)。圖1b進(jìn)一步闡述了導(dǎo)電織物的制造過(guò)程：首先將聚酯纖維與金屬短纖維加捻制成導(dǎo)電混紡紗線，隨后通過(guò)針織技術(shù)將導(dǎo)電紗線與聚酯紗線結(jié)合形成導(dǎo)電區(qū)域，并在非導(dǎo)電區(qū)域使用棉紗以確保舒適性。該織物展現(xiàn)出可拉伸、可折疊和可扭轉(zhuǎn)的特性，適合用于可穿戴電子設(shè)備。

圖1. 多級(jí)針織結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物的展示與制備。 (a) 基于導(dǎo)電織物和基于PDMS的MCT設(shè)備對(duì)比。(b) 導(dǎo)電織物的制備過(guò)程示意圖。

在研究多級(jí)針織結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性時(shí)，團(tuán)隊(duì)從纖維層面入手，選擇了不銹鋼纖維作為導(dǎo)電紗線中的金屬成分。通過(guò)測(cè)試不同纖維比例紗線的力學(xué)與電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著不銹鋼纖維比例增加，紗線的斷裂強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)電阻均下降。綜合考慮后，選擇了Fe(30:70)紗線作為織物原料。動(dòng)態(tài)電阻在拉伸過(guò)程中先降后升的現(xiàn)象，源于紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)從松散到緊密再到纖維斷裂的變化過(guò)程。研究還深入分析了織物中因橫向拉伸形成的“鉤狀結(jié)構(gòu)”對(duì)接觸電阻的影響，并建立了相應(yīng)的理論模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)趨勢(shì)一致。此外，基于針織結(jié)構(gòu)的幾何特征，團(tuán)隊(duì)建立了單線圈電阻模型，用于描述橫向和縱向拉伸下織物電阻的變化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型在特定應(yīng)變范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性。在彎曲情況下，由于織物厚度遠(yuǎn)小于平面尺寸，其電阻基本保持不變，實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖2. 多級(jí)針織結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性。 (a) 紗線結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)示意圖。(b) 不同比例導(dǎo)電紗線的光學(xué)圖像。(c) 不同組成比例導(dǎo)電紗線的力學(xué)性能。(d) 不同組成比例導(dǎo)電紗線的動(dòng)態(tài)電阻。(e) 鉤狀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)示意圖。(f) 鉤狀結(jié)構(gòu)詳解圖。(g) 拉伸過(guò)程中鉤狀結(jié)構(gòu)的電阻變化。(h) 拉伸過(guò)程中接觸區(qū)域電阻的變化。(i) 針織結(jié)構(gòu)的幾何模型（左）和線圈電阻模型（右）。(j) 導(dǎo)電織物與線圈電阻的對(duì)比。

除了優(yōu)異的電學(xué)性能，這種多級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物還展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)健性和舒適性。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)加卸載測(cè)試，織物電阻變化微小，表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和耐久性。在長(zhǎng)達(dá)12分鐘的超聲波清洗（包括使用洗滌劑）測(cè)試中，電阻保持穩(wěn)定，證明了其耐洗性。與皮膚及普通織物的摩擦測(cè)試也表明，織物電阻波動(dòng)極小，具備出色的耐磨性。在舒適性方面，與普通織物和PDMS相比，該導(dǎo)電織物具有相近的透濕性、顯著優(yōu)于PDMS的透氣性，以及相近的隔熱性，這得益于紗線內(nèi)部的微觀空隙和針織結(jié)構(gòu)形成的通風(fēng)孔隙。

圖3. 導(dǎo)電織物的穩(wěn)健性與舒適性。 (a) 導(dǎo)電織物循環(huán)加卸載測(cè)試示意圖。(b) 循環(huán)測(cè)試期間的電阻變化曲線。(c) 超聲波清洗后電阻的散點(diǎn)圖。(d) 與人體皮膚摩擦后的電阻變化曲線。(e) 與人體皮膚和普通織物摩擦后的電阻變化曲線。(f) 透濕性實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)試結(jié)果。(g) 透氣性實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)試結(jié)果。(h) 隔熱性實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)試結(jié)果。

為驗(yàn)證其治療應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)基于該導(dǎo)電織物制作了可穿戴MCT襪子。在志愿者測(cè)試中，襪子能施加0.1-1 mA范圍內(nèi)的治療電流，且未引起熱不適。實(shí)際穿著行走測(cè)試表明，襪子電阻變化微小，電學(xué)性能穩(wěn)定。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證療效的關(guān)鍵：在大鼠背部使用MCT織物進(jìn)行治療，結(jié)果顯示，治療組大鼠的局部血流量、血紅蛋白含量和血氧飽和度均顯著高于對(duì)照組，且療效具有一定的持續(xù)性。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)（活/死染色）顯示導(dǎo)電織物對(duì)成纖維細(xì)胞活性無(wú)負(fù)面影響，組織切片分析也表明MCT處理未對(duì)大鼠皮膚表皮和真皮結(jié)構(gòu)完整性造成損害，證實(shí)了其生物相容性和安全性。

圖4. 使用MCT襪子促進(jìn)血液循環(huán)和新陳代謝的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。 (a) MCT作用機(jī)制示意圖。(b) MCT襪子的光學(xué)圖像。(c) 在Sprague-Dawley大鼠身上進(jìn)行基于導(dǎo)電織物的MCT實(shí)驗(yàn)。(d) 大鼠MCT組（4個(gè)樣本）與對(duì)照組（4個(gè)樣本）血流量變化的比較；誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)差；* 表示 P < 0.05，表示對(duì)照組與MCT組之間存在顯著差異。(e) 大鼠MCT組與對(duì)照組血紅蛋白含量變化的比較；誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)差；* 表示 P < 0.05。(f) 大鼠MCT組與對(duì)照組血氧飽和度變化的比較；誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)差；* 表示 P < 0.05。(g) 使用活/死染色法對(duì)比對(duì)照組與MCT組成纖維細(xì)胞活性。(h) 動(dòng)物組織切片顯示對(duì)照組和MCT組表皮和真皮完整性。

綜上所述，本研究提出的多級(jí)針織結(jié)構(gòu)導(dǎo)電織物設(shè)計(jì)，通過(guò)建立電阻-應(yīng)變分析模型，為滿足MCT要求同時(shí)保持優(yōu)異舒適性提供了指導(dǎo)?？椢锉憩F(xiàn)出良好的重復(fù)性、耐洗性、耐磨性、透氣性和熱舒適性。以此制作的MCT襪子在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其促進(jìn)血液循環(huán)和代謝的功效，且安全性得到證實(shí)。盡管該研究取得了顯著成果，但未來(lái)仍面臨挑戰(zhàn)，例如在實(shí)際應(yīng)用中汗液與電流共同作用可能導(dǎo)致的織物氧化與電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，以及當(dāng)前模型在復(fù)雜大變形場(chǎng)景下的局限性，這些都將成為后續(xù)優(yōu)化工作的重點(diǎn)。這項(xiàng)研究為開發(fā)兼具卓越舒適性與電學(xué)性能的新型治療平臺(tái)指明了方向。