用於監測的智能紡織品：從追求機能走向環保－可生物降解材料
一、 摘要
用於醫療保健監測應用的可穿戴設備和系統的電子紡織品的開發在過去十年中經歷了快速增長。對紡織品結構層次的了解和理解，以及定義從纖維和紗線到織物級別的特性的能力，對於可穿戴系統的材料選擇和設計與性能至關重要。
電子紡織品正在從根本上改變我們的生活方式。然而，無法有效回收它們對環境造成了相當大的負擔。在近期發表的研究中，發現了一種用於生物監測的基於棉纖維的壓阻紡織品（CF p-textile），它具有生物相容性、可生物降解性和環境友好性。棉纖維素在暴露於酸或自然降解過程中，由於1,4-糖苷鍵斷裂而分解成低分子量纖維素或葡萄糖，這使得電子紡織品具有可生物降解性。這項工作為製造高性能可穿戴生物電子產品提供了一種生態友好、經濟高效且簡便的方法。
二、 用於心電圖監測的電子紡織品
（ㄧ）用於心電圖監測的紡織品感測器
電子紡織品是導電纖維基、智慧可穿戴系統中的一種材料，具有嵌入式或整合電子功能，包括對驅動感測器、通訊和資料處理的無源感應。醫療保健行業對此非常感興趣，其發展應用於生理訊號監測。 電子紡織品因其固有的柔韌性、透氣性和與人體的相容性而具有優勢。智慧紡織系統中的感測器可以採取紡織品的纖維、長絲或紗線的形式，組裝成具有功能化的編織、針織或無紡布結構。
心電圖是一種廣泛研究的生物電訊號，其中記錄心肌的電活動。心電圖提供心臟節律、心臟健康、心律、其他心血管疾病的資訊和評估，以及預測和治療冠狀動脈相關的資訊。除此之外，心肌產生的收縮相關電流，可以透過電極在面板表面上檢測到，測量的訊號表示為心電圖波形（圖一、P波、QRS複合體和T波。波形反映了心房和心室的去極化和再極化。）。
圖一、P波、QRS複合體和T波
（二）紡織品結構效能－纖維到織物
電子紡織品用於健康監測應用，是具有前瞻性的。 當此作為電極感測器整合時，紡織結構的固有特性（拉伸、透氣性）與人體輪廓具有一致性。 紡織品的這些特徵源於其層次結構，這是設計紡織品電極時要考慮的一個主要方面。紡織品結構層構包括纖維、紗線和織物水準（圖二）。纖維的化學和形態特徵，以及織物結構都會影響紡織效能。纖維是紡織結構的基本水準，其特徵是高度定向的分子鏈元件。
圖二、紡織品結構層
（三）纖維和紗線
導電纖維和紗線可以透過多種方式製造（圖3）。金屬單絲纖維具有高導電性， 因此可作為混合螺紋與非導電纖維混合或扭曲，這表現出更接近傳統紗線的更好的機械效能。金屬化紗線是透過在不導電長絲（棉、尼龍、聚酯）上塗抹薄金屬塗層生產的。 由於其良好的機械效能，它們通常適用於扭曲、編織、編織和刺繡等紡織工藝。導電聚合物可以被拉入長絲（內導聚合物，ICP），將絕緣聚合物與導電填料（外導聚合物，ECP）混合形成纖維，電紡成奈米纖維墊，或作為織物的導電漿/塗層使用。
圖三、導電紗線構造
（四）織物結構
針織
針織織物可以由單紗線/螺紋構成，這是可拉伸導電電極製造的理想選擇。電路軌道或導電塊結構可以透過利用不同的縫線型別（如嵌花縫線/結構）整合到針織結構中。 將導電纖維整合到針織結構的另一種模式是將導電線編織成針織結構。 在導電針織結構中，電流透過紗線-紗線接觸到達電極水槽。 因此，構成針織結構一部分的導電紗線必須變形，才能可靠地執行。該結構的固有彈性允許在佩戴時在身體/面板旁邊獲得更大的舒適度。
平織
導電紗可以整合為常規網格圖案，整合在一個方向（經紗或緯紗）或區域性位置。雖然平織織物結構本質上不是可拉伸的，但一些編織圖案可能會允許結構內的紗線進行一些拉伸應變。一些編織結構可以透過改變編織圖案在某種程度上具有彈性，例如採用斜紋編織和使用氨綸紗線。
不織布
不織布因其易於生產、輕質效能、強度、穩定性和高表面積用於功能化，透過整合功能纖維或塗層顆粒，因此已用於紡織電極應用。
刺繡
這是電子紡織織物系統中用於電路佈線和互連的最早方法之一，最近用於電極結構。透過建立連續線的幾個交叉點，與單根導電線相比，這可以為刺繡結構帶來更大的導電性。
三、 用於可穿戴生物監測的可生物降解棉纖維
在經過研究與討論後，研究者們開發出了可用於生物監測的新型智能可穿戴式電子紡織品，其主要手段便是對棉纖維(透過回收廢棄的棉花、木材和草所製成)進行改性，名為「CF p-textile」。
在製備方面，CF p-textile的製作方式是以浸泡與塗抹為主，將MXene薄片黏附到棉纖維上，薄片和棉纖維(多層分孔)之間的強氫鍵便是其具高吸附力的關鍵因素，而MXene是材料科學中的一類二維無機化合物，這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物所構成。由於其豐富的表面基團、良好的親水性以及與纖維素的相容性，MXene可以更均勻且緊密地附著在棉纖維的表面。
在功能方面，CF p-textile之可穿戴式產品在給予穿戴者舒適體感的同時也可以檢測各種人體力學活動，包括脈搏、吞嚥與肌肉運動等。除此之外，CF p-textile也表現出相當良好的降解能力，因為它的組成(棉纖維素)在酸性環境中可以分解成低分子量的聚合物或葡萄糖，而這賦予了CF p-textile非常顯著的可生物降解性，進而達成環境友善與高效能的雙贏局面。
圖四、訊號強度圖
四、結論
結合新開發的電子紡織品測試標準以及即將出品的標準，這將有助於更好地了解智能服裝中電子紡織品材料的適當比較和材料選擇所需的考慮因素。而用於生理監測的智能服裝傳感系統開發中仍存在幾個挑戰，要如何實現商業化和廣泛應用，有以下幾點是需要注意或改進的:
(一)增加可穿戴電子紡織品的耐用性（如汗水、濕氣、溫度、變形等）和耐洗性，讓織物可以循環利用。
(二)在長期監測條件下保持可穿戴電子紡織品的穩定性和準確性。
(三)所選傳感器材料的舒適性、靈活性和生物相容性的考慮。
(四)服裝必須要有式當的尺寸，才可以讓電極與皮膚的接觸良好。
(五)智能服裝必須達到更高的技術就緒水平 (TRL)。
五、參考資料：
https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/00405175221108208
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566322010399