3D打印混合离子-电子导电聚合物复合材料在长期生物电子传感中的应用研究

这篇研究报道了一种全聚合物3D打印心电图（ECG）贴片，通过材料优化开发出电导率高达1.7 S cm?1的复合材料，在空气中暴露60天后仍保持85%以上导电性。该材料兼具优异拉伸性（断裂应变253%）和机械强度（25 MPa），其墨水与3D挤出打印技术完全兼容，可低成本制造柔性电极，其ECG信号采集质量与金属电极相当，为可穿戴医疗设备提供了创新解决方案。

　　

1 引言

现代医疗对长期健康数据监测的需求日益增长，但传统心电图（ECG）金属电极存在刚性不适、皮肤刺激等问题。虽然柔性电极（如水凝胶、纺织品基）有所发展，但仍面临成本高、长期稳定性差的挑战。本研究通过3D打印技术开发基于有机混合离子-电子导体（OMIEC）与硅氧烷交联网络的复合材料，兼具高导电性（1.7 S cm^?1）、环境稳定性和机械柔韧性（拉伸强度25 MPa），为可穿戴生物电子器件提供了新思路。

2 结果与讨论

2.1 硅氧烷网络对共轭聚合物的影响

选用ProDOT-BT共轭聚合物（CP）与三氯辛基硅烷（Sil）形成复合材料。硅氧烷网络不仅增强机械性能，其交联副产物HCl还实现了CP的原位掺杂，使电导率提升6个数量级。AFM显示材料形成均匀互穿网络结构（图1c），20 wt.%硅氧烷含量的复合材料（20Sil）展现出最佳平衡性能。

2.2 共轭聚合物的稳定掺杂

UV-vis光谱显示掺杂后出现≈1000 nm极化子吸收峰（图1d），40 wt.% Sil样品电导率达1.7 S cm^?1。60天后仍保持85%导电性，归因于硅氧烷基质对掺杂剂的固定作用。电化学阻抗谱（EIS）表明该材料适用于生物电信号采集。

2.3 复合材料的机械性能

20Sil复合材料在弯曲测试中电导率波动<15%，显著优于未掺杂CP（下降47%）。双层PDMS/20Sil结构的断裂应变达253%（图2e）， toughness提升至3231 MPa，满足可穿戴设备对柔韧性的要求。

2.4 3D打印导电墨水开发

20Sil墨水展现假塑性流变特性（图3a），屈服应力222 Pa，打印指数（P_r）达1.01。通过直写成型（DIW）成功打印出最小750 μm的精细结构（图3c-f），并构建双层ECG贴片：PDMS基底提供机械支撑，20Sil作为导电层（图3g-i）。

2.5 柔性ECG贴片的生理监测

打印的贴片在40天连续测试中（图4a-c），ECG信号振幅稳定在1.7-2.0 mV，与商业金属电极相当（图4d），能清晰识别R-R间期等关键特征。长期暴露后仍保持信号完整性（图4e），证实了材料在真实环境中的可靠性。

3 结论

该研究通过硅氧烷交联策略实现了导电聚合物的长效稳定，结合3D打印技术开发出兼具高导电性、柔韧性和环境稳定性的生物电极。未来将重点评估材料的生物相容性，并探索其在植入式器件中的应用潜力。

4 实验方法

复合材料通过氯仿溶液共混-旋涂法制备，UV-vis、AFM、四点探针法分别表征光学/形貌/电学性能。力学测试采用CellScale UniVert系统，3D打印使用Corning Matribot生物打印机，ECG信号通过PC80B系统采集。所有数据均通过≥3次独立实验验证。