将医院实验室产生的聚丙烯废弃物升级改造为高度集成的增材制造电分析传感平台

《ACS Sustainable Resource Management》：Upcycling Hospital Lab Polypropylene Waste into a Fully Integrated Additive Manufacturing Electroanalytical Sensing Platforms

回收聚丙烯导电材料制备与电化学检测应用 | 3D打印电极 | 药物同步检测 | 尿酸生物传感 | 循环经济 | 医院废物利用 | 碳黑填料 | 电化学稳定性 | 可持续制造 | 零溶剂工艺

　　塑料废弃物是全球垃圾填埋场中最大的贡献者之一，而医疗行业是其中的重要来源之一。为应对这一问题，联合国可持续发展目标（SDGs）将减少塑料废弃物作为关键议题之一。本文旨在探讨如何通过创新手段，将医院实验室产生的聚丙烯（PP）废弃物转化为具有实际应用价值的导电丝材，从而推动可持续发展与循环经济。

### 医疗废弃物的现状与挑战

医疗行业广泛使用塑料制品，这些材料通常用于一次性使用，如手套、注射器、采样瓶、移液器和手术托盘等。由于其便利性、卫生性和成本效益，这些单次使用塑料（SUPs）已成为医院日常操作中不可或缺的一部分。然而，这种依赖也带来了显著的环境问题。大量塑料废弃物被填埋，不仅占用土地资源，还可能释放有害物质，对环境和生态系统造成负面影响。此外，生产这些塑料制品需要消耗大量不可再生资源，如石油和天然气，进一步加剧了碳排放和资源枯竭的问题。

在这一背景下，寻找一种可持续的方法来处理医疗废弃物，尤其是聚丙烯，成为研究的重点。聚丙烯因其优异的化学稳定性、耐高温性、轻质、可灭菌性和耐用性，被广泛用于医疗设备和实验室耗材。然而，这些特性也使其在传统回收和再利用过程中面临挑战，因为聚丙烯在某些情况下不易降解，且其在长期使用中可能因吸水或其他化学作用导致性能下降。

### 创新方案：聚丙烯废弃物的再利用

本文提出了一种创新的解决方案，即将医院实验室产生的聚丙烯废弃物通过“再利用”（upcycling）的方式，转化为一种新的导电丝材。该丝材适用于增材制造（additive manufacturing）技术，能够用于制造电化学传感器所需的电极。该方法采用零溶剂工艺，仅使用70%的聚丙烯和30%的碳黑作为导电填料，无需额外添加增塑剂或其他化学物质，从而减少了对环境的额外影响。

这种导电丝材表现出优异的低温柔韧性和高导电性，其体电阻仅为61 ± 7 Ω cm?1，显著优于传统导电聚丙烯电极。此外，该材料在电化学性能方面也表现出色，如其异质电子（电荷）转移速率常数（k?,obs）达到了（2.75 ± 0.12）× 10?3 cm s?1，比未处理的聚丙烯电极的（2.05 ± 0.05）× 10?3 cm s?1要高。这一性能的提升为电化学传感器提供了更可靠的基础。

### 应用于电化学传感

为了验证该导电丝材的实际应用价值，研究人员将其用于两个电化学传感系统。第一个系统用于同时检测对乙酰氨基酚（ACE）和苯乙醇胺（PHE），这两种化合物常被共同配方用于非处方感冒和流感药物中。由于其在制药质量控制和临床分析中的重要性，同时检测这两种化合物具有现实意义。通过使用外部参比电极和对电极的配置，研究人员成功实现了对这两种药物的检测，并且发现该系统能够提供可重复的检测结果。

第二个应用是用于尿液中尿酸（UA）的检测。尿酸是多种疾病的生物标志物，如痛风、肾结石和肾功能不全。通过使用打印电极，研究人员构建了一个完整的电化学检测平台，并在合成尿液中实现了对尿酸的检测。该平台的检测限（LOD）为0.03 μM，回收率达到了97.6%。这一结果表明，该导电丝材不仅能够用于实验室环境下的检测，还具备在实际临床环境中的应用潜力。

### 材料的稳定性与可重复使用性

在电化学应用中，材料的稳定性至关重要。研究人员对这两种电极进行了电化学稳定性测试，通过循环伏安法（CV）在100次扫描中评估其性能。结果显示，无论是原始聚丙烯电极还是回收聚丙烯电极，在前50次扫描中均保持稳定，随后在50次之后出现性能下降。这种性能的可重复性表明，这些电极可以被多次使用，从而减少浪费，提高资源利用率。

此外，研究人员还测试了这些电极在紫外线灭菌过程中的表现。结果表明，经过4小时的紫外线照射后，两种电极的峰值电流均未发生显著变化，这表明它们在灭菌过程中仍能保持良好的电化学性能。这一特性对于医疗环境至关重要，因为医疗设备通常需要经过严格的灭菌处理以确保患者安全。

### 与传统材料的对比

尽管PLA（聚乳酸）因其生物可降解性而受到关注，但其在电化学应用中存在局限性。例如，PLA在长期使用中容易发生吸水现象，这会降低其电化学性能，并使其难以重复使用。相比之下，聚丙烯电极表现出更好的稳定性和可重复使用性，这使其成为更理想的电化学传感材料。

### 环境与经济价值

本研究不仅为解决医疗行业塑料废弃物问题提供了新思路，也为实现可持续发展和循环经济提供了实际案例。通过将医院实验室的废弃聚丙烯转化为高性能的导电丝材，不仅减少了垃圾填埋的需求，还降低了对新原料的需求，从而减少了资源消耗和碳排放。同时，这种材料的低成本和易于制造的特性，使其在大规模生产中具备经济优势。

### 潜在应用与未来展望

该导电丝材的开发为医疗行业的可持续发展提供了新的方向。通过3D打印技术，研究人员能够制造出具有特定功能的电极，这些电极可以用于多种电化学检测任务，如药物浓度监测、疾病诊断和生物标志物分析。此外，由于其在灭菌过程中表现出的稳定性，这些电极还可以被用于需要频繁清洗和消毒的医疗场景，进一步扩大其应用范围。

在未来，随着增材制造技术的不断发展，这种导电丝材有望被更广泛地应用于医疗设备制造、实验室耗材生产以及生物传感领域。此外，随着对可持续发展和循环经济的关注不断加深，类似的再利用策略可以被推广到其他类型的塑料废弃物，如聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），从而进一步减少全球塑料污染问题。

### 结论

本研究展示了如何将医院实验室产生的聚丙烯废弃物转化为高性能的导电丝材，为解决塑料污染问题提供了一种创新的方法。通过将聚丙烯与碳黑结合，并采用零溶剂工艺，研究人员成功制造出了一种适用于电化学传感的材料，其表现出优异的导电性、稳定性和可重复使用性。该研究不仅为医疗行业提供了可持续的解决方案，也为其他领域提供了借鉴，展示了如何在不牺牲性能的前提下，实现资源的再利用和环境的保护。这种创新性的方法为实现联合国可持续发展目标提供了有力支持，也为未来的绿色制造和循环经济奠定了基础。