基于海藻酸钠/Co2+-PEDOT:PSS柔性薄膜的可穿戴呼吸传感器构建与性能调控研究

【编辑推荐】本研究针对柔性可穿戴传感器电性能与结构完整性的平衡难题，通过调控Na-Alg/PEDOT:PSS/甘油复合体系中Co2+掺杂策略，发现未掺杂Co2+的2b薄膜具有更优的导电性(6.61×10–5 S/m)和LED响应强度(236±25 au)，其甘油塑化效应显著提升薄膜均质性，为呼吸监测智能穿戴设备提供新材料解决方案。

　　

在智能健康监测技术蓬勃发展的当下，柔性可穿戴传感器正经历从刚性电子器件向生物相容性材料的革命性转变。然而，传统传感器普遍面临机械柔性与电性能难以兼得的困境——高导电材料往往缺乏皮肤适配性，而柔性基质又常牺牲传感灵敏度。这一矛盾在呼吸监测领域尤为突出，因为呼吸信号采集需要材料同时具备优异的延展性、稳定的导电率和微应变响应能力。

针对这一挑战，某研究机构团队在《Biomacromolecules》发表的研究中，创新性地将生物聚合物海藻酸钠(Na-Alg)与导电高分子聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)复合，通过引入甘油塑化剂和钴离子(Co²⁺)掺杂策略，系统探究了不同组分对薄膜性能的影响。研究发现，不含Co²⁺的Na-Alg/PEDOT:PSS/甘油(2b)复合膜展现出最优异的综合性能，其导电率达到6.61×10^–5 S/m，LED响应强度达236±25 au，显著优于Co²⁺掺杂的3b样品(导电率5.04×10^–5 S/m，LED强度168±75 au)。这一突破为开发兼具高灵敏度和穿戴舒适性的呼吸监测设备提供了新材料范式。

研究采用溶液浇铸法制备薄膜，通过紫外-可见光谱(UV-Vis)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征化学结构，四探针法测试电导率，并建立LED响应测试系统评估传感性能。人体皮肤贴附实验验证了材料的生物相容性与应变响应特性。

【材料表征与性能】
X射线衍射分析显示甘油显著提高了PEDOT:PSS在Na-Alg基质中的分散性，而未掺杂Co²⁺的2b薄膜表现出更均匀的微观形貌。这解释了其优异的电荷传输能力——甘油分子通过破坏PEDOT:PSS的聚集态结构，形成了连续的导电网络通路。

【电学性能调控机制】
阻抗谱分析揭示Co²⁺掺杂会引发PEDOT链的构象变化，使导电颗粒产生绝缘壁垒。相比之下，2b样品中甘油的增塑作用降低了π-π堆叠距离，使载流子迁移率提升37%。

【呼吸监测应用验证】
在模拟呼吸运动的周期性应变测试中，2b薄膜表现出0.89的线性响应系数(R²)，并能准确识别0.5-2 Hz频率范围内的胸廓起伏信号，对应成人静息至剧烈运动时的呼吸频率。

该研究证实了生物聚合物基复合材料在智能穿戴领域的巨大潜力，特别是甘油塑化策略对解决导电-柔性矛盾具有普适性意义。值得注意的是，Co²⁺掺杂的负面效应颠覆了传统金属离子增强导电性的认知，这对未来设计离子型传感器具有重要警示作用。这些发现不仅为呼吸健康监测提供了新材料选择，更拓展了生物高分子在柔性电子领域的应用边界。