温度可控电极印刷技术构建透气性表皮生物传感器：基于APTES功能化电纺聚酰亚胺的制造突破

为解决多孔疏水基底上电极粘附性差、墨水图案化不均及溶剂扩散控制难等制造难题，天津大学团队开发了温度可控电极印刷技术。通过APTES硅烷化共价接枝氨基，将疏水表面转化为亲水粘附平台（接触角从137.7°降至63.5°），结合35°C同步热调控丝网印刷，实现50±3 μm微尺度导电图案（5 cm2内尺寸偏差<8%）。所制表皮葡萄糖传感器灵敏度达9.88 nA/μM，OGTT一致性88.7%，MARD仅9.28%，为可穿戴生物传感器规模化生产提供新方案。

　　

在个性化医疗快速发展的今天，连续监测生物标志物的表皮生物传感器正成为慢性病管理的革命性工具。然而，这类设备的广泛应用却面临着一个关键矛盾：既要保持基底材料的透气性以防止皮肤刺激，又要确保导电电极在动态弯曲下的稳定性。传统制造方法在处理多孔疏水基底时，常遭遇电极脱落、墨水扩散不均等难题，严重制约了传感器的可靠性和规模化生产。

针对这一瓶颈，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，提出了一种融合表面化学改性与精密印刷工艺的创新解决方案。研究人员选择电纺聚酰亚胺(ePI)作为基底材料，通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)硅烷化处理，在疏水表面构建共价接枝的氨基活性层。这种改性使材料接触角从137.7°锐减至63.5°，显著提升了基底对导电墨水的亲和力。配合自主研发的35°C恒温丝网印刷系统，成功在50 μm厚的多孔基底上实现了50±3 μm精度的导电图案，其5 cm²内的尺寸偏差小于8%，经500次弯曲循环后电阻漂移低于5%。

关键技术包括：1) APTES硅烷化表面改性；2) 温度可控丝网印刷工艺；3) 使用临床志愿者样本进行口服葡萄糖耐量试验(OGTT)验证。

改性电纺聚酰亚胺基底的表征
X射线光电子能谱(XPS)证实氨基成功接枝，接触角测试显示表面润湿性显著改善。扫描电镜(SEM)显示改性后纤维表面形成均匀纳米涂层，而孔隙率保持稳定，确保透气性不受影响。

温度调控印刷工艺优化
通过调控印刷温度至35°C，墨水黏度下降32%，溶剂蒸发速率提升1.7倍，有效抑制了毛细效应导致的墨水扩散。所得银电极方阻为0.18 Ω/sq，经胶带剥离测试后电阻变化率<3%，证明界面结合强度优异。

表皮葡萄糖传感器性能验证
构建的传感器对葡萄糖检测灵敏度达9.88 nA/μM，与临床标准方法相比，OGTT曲线一致性达88.7%。间质液(ISF)透皮提取稳定性测试显示，8小时监测周期内信号衰减<5%，平均绝对相对误差(MARD)仅为9.28%，优于多数市售连续血糖监测系统。

该研究通过共价界面工程与精密制造工艺的协同创新，成功解决了透气性与电稳定性之间的矛盾。所开发的温度调控印刷技术具备每小时200片的生产效率，成本较激光诱导石墨烯工艺降低85%，为可穿戴设备的工业化生产树立了新标准。特别值得注意的是，该方法可扩展至乳酸、pH等多种生物标志物传感器的制造，为未来智能健康监测系统的发展提供了普适性技术平台。研究团队特别指出，下一步将重点优化大规模生产中的工艺稳定性，并开展为期6个月的临床耐久性试验。