激光雕刻打印床构建定制化表面微结构以增强3D打印电极电化学性能

本刊推荐：本文创新性地利用激光雕刻技术在3D打印基板上构建定制化微图案（线条/交叉/圆形/波浪形），通过熔融沉积成型（FFF）技术一步法制备具有特殊表面架构的电极。研究表明，聚丙烯（B-PP）基电极因避免溶液渗透问题，其电化学活性面积（Ae）和峰值电流显著提升，交叉结构电极对乙酰氨基酚的检测灵敏度提高3倍。该方法无需修改打印文件或后处理，为增材制造电极性能优化提供了新范式。

　　

激光雕刻打印床构建定制化表面架构在增材制造电极中的应用研究

引言

电化学传感平台中氧化还原分子与电极表面的相互作用是决定性能的核心因素。尽管平面电极仍被广泛使用，但向独特表面架构的转变能显著提升电化学活性表面积（A_e）和电分析性能。传统方法如光刻和激光烧蚀虽能实现表面结构化，但工艺复杂且成本较高。增材制造（Additive Manufacturing）特别是熔融沉积成型（Fused Filament Fabrication, FFF）技术因成本低、操作简便和商用导电丝材（如聚乳酸/PLA）易得，在电化学领域应用广泛。然而，商业导电PLA电极性能较差，需通过优化设计、打印参数或后处理（如电化学活化）改善。近期研究开始探索自制丝材（如聚丙烯/PP基），以解决PLA化学稳定性差和溶液渗透问题。本工作首次通过激光雕刻打印床引入微米级表面结构，无需修改打印文件或后处理即可增强电极性能。

打印床图案化与电极制备

研究采用CO₂激光器（42 W）在聚醚酰亚胺（PEI）打印床上雕刻四种图案：平行线条（Lines）、交叉网格（Crosses）、圆形（Circles）和正弦波（Waves），以未修饰表面（None）为对照。使用相同打印文件（0.6 mm喷嘴，100%直线填充）在图案化打印床上制备电极，三种丝材包括：商业导电PLA（C-PLA）、自制导电PLA（B-PLA，含30 wt%碳黑和10 wt%蓖麻油）和自制导电PP（B-PP，含30 wt%碳黑）。电极设计为邮票状结构，确保连接长度最短且表面朝下打印。结果显示，所有图案均成功转印到电极表面，B-PP电极因无溶液渗透问题，表面结构清晰可见（图1）。

电化学性能表征

通过循环伏安扫描速率研究（5–500 mV s^?1）评估电极性能。使用外球氧化还原探针六氨合钌（III）氯化物（[Ru(NH₃)₆]³⁺）时，B-PP电极的峰值还原电流和A_e显著提升：无结构电极电流为53.5 ± 0.9 μA，交叉结构达85.3 ± 1.6 μA；A_e从0.37 ± 0.05 cm²增至0.61 ± 0.13 cm²（图2）。相反，PLA基电极因溶液渗透抵消表面结构优势，性能无显著变化。内球探针铁氰化钾（[Fe(CN)₆]^4?/3?）测试中，B-PP电极同样显示峰值电流提升（无结构25.6 ± 6.9 μA vs. 交叉结构78.5 ± 4.4 μA），而异相电子转移速率常数（k⁰）和峰电位差（ΔE_p）无显著变化，表明性能提升源于表面积增加而非本征材料性质（表1）。交叉结构在两种探针中均表现最佳，因其复杂几何形状最大化提升了活性面积。

电分析应用

以交叉结构B-PP电极为代表，评估其对乙酰氨基酚（Acetaminophen）的检测性能。采用差分脉冲伏安法（DPV）在磷酸盐缓冲液（PBS, pH 7.4）中测试（5–60 μM）。交叉结构电极灵敏度达1.55 μA μM^?1，是无结构电极（0.42 μA μM^?1）的3.7倍；检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别为0.80 μM和2.65 μM，优于无结构电极（1.25 μM和4.12 μM）（图4）。在河水样品加标检测（20 μM）中，交叉结构电极回收率在91.1–102.7%之间，显示良好准确性和稳定性（表2）。该性能优于多数已报道的增材制造电极，凸显表面结构设计的应用潜力。

结论

本研究通过激光雕刻打印床实现增材制造电极表面微结构的定制化构建，无需额外材料或后处理。B-PP电极因抗溶液渗透特性，在交叉结构下表现出显著提升的电化学活性面积和检测性能。该方法为高性能、低成本电化学传感器开发提供新思路，尤其适用于定制化传感平台和即时检测（Point-of-Care Testing, POCT）领域。未来可探索更多图案设计、材料体系及在生物医学检测中的应用。