《ACS Applied Materials & Interfaces》：Flexible Conductive Paper-Based Sensors for On-Skin Electrophysiological Monitoring and Wearable Applications
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本文报道了一种基于纤维素纳米纤维（CNF）、聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐（EMIM ES）的柔性导电复合薄膜。该材料通过简单的水相共混-过滤法制备，兼具高达335 MPa的拉伸强度、优异的电稳定性（10–90%湿度、15–55 °C）及生物相容性，在10万次机械疲劳测试后仍保持电化学性能。研究表明，该复合材料是实现高信噪比（20 dB）表皮电生理信号采集的理想平台，为软质可穿戴生物电子接口提供了创新解决方案。
引言
柔性、可贴合皮肤的电极在无创医学诊断、健康监测和人机交互等新兴应用中至关重要。这些技术需要导电材料在复杂的机械变形和变化的生理环境下保持电性能。尽管传统的金属薄膜电极具有高导电性，但其脆性和刚性使其不适合长期集成。为了克服这些局限性，导电聚合物，如聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），因其固有的有机组成、离子导电性和良好的皮肤界面特性而受到关注。
然而，原始形态的PEDOT:PSS在制成独立薄膜时，机械性能仍然易碎，尤其是在反复应变下。改善其机械韧性的策略通常涉及引入次要组分，如掺杂剂（例如甘油、聚四氟乙烯）或与弹性体、水凝胶和纳米纤维共混。虽然这些方法可以增强机械性能和界面润湿性，但它们通常会牺牲导电性或在波动的湿度和温度条件下导致较差的环境耐久性。
为了应对这些挑战，研究人员探索了基于水凝胶或多孔纤维复合材料，将其嵌入PEDOT:PSS基质中。这些方法增强了薄膜的机械特性，但也影响了其电性能。一种旨在提高电性能的策略是添加离子液体。这些方法提供了改进的电性能，但通常在环境应力下存在低电导率和机械稳定性的问题。在机械柔韧性和电导率之间取得平衡仍然是该领域材料设计的一个关键挑战。
一些研究将PEDOT:PSS与天然聚合物如纤维素纳米纤丝、细菌纤维素和水凝胶基质相结合，以创建用于表皮和植入式生物电子学的柔软导电薄膜。这些混合系统通常表现出10–600 S cm–1范围内的电导率，对皮肤或组织的保形粘附，以及稳定的电生理信号记录。尽管取得了这些进展，但仍然存在重大挑战，包括在不同湿度条件下的长期稳定性，其中离子添加剂可能浸出，电导率恶化。此外，在反复变形过程中较低的机械耐久性可能导致分层或在应变下形成裂纹。另外，制造可扩展性通常具有挑战性，因为许多报道的材料依赖于多步溶剂交换，难以转化为大面积或连续生产。
纤维素纳米纤维（CNFs）由于其卓越的机械强度和高比表面积，在此类复合材料中充当了坚固的结构基质。CNFs通过密集的氢键网络提供机械增强，产生与合成增强纤维相当的刚度和拉伸强度，同时在循环应变下保持柔韧性和韧性。它们富含羟基的表面促进了与PEDOT:PSS的强氢键和静电相互作用，使得聚合物能够均匀吸附并形成均匀的渗流网络，从而增强电荷载流子传输。这种界面耦合促进了变形下的机械完整性和电导率保持。此外，CNFs使得能够通过真空过滤或滴铸进行可扩展的水相加工，从而形成具有可控孔隙率和厚度的均匀薄膜。重要的是，CNFs是可再生的、生物相容的且环境稳定的，符合可持续设计原则和可穿戴生物电子学的长期皮肤相容性。
在这项研究中，我们报告了一种复合策略，协同整合PEDOT:PSS、CNF和离子液体（IL）1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐（EMIM ES）以克服上述挑战。CNFs是一种坚固、生物相容性的支架，具有高机械强度、纳米级孔隙率和易于通过简单过滤加工的特点。它们的纤维网络有助于机械增强，同时保持柔韧性。同时，离子液体作为掺杂剂和电荷传输介质，提高了电导率、柔韧性和热湿稳定性，而不影响生物相容性。此外，由于PEDOT:PSS和EMIM ES之间的分子相互作用，IL可以通过过滤过程被捕获。尽管单独报道了PEDOT:PSS与ILs或CNFs结合的二元系统，但耦合所有三种组分（PEDOT:PSS、CNF和IL）的三元混合系统仍未得到充分探索。
在此，我们开发并表征了一种通过简便的水相过滤工艺制备的PEDOT:PSS-CNF-IL混合复合薄膜，并评估了其机械、电学、环境和生物电子性能。我们证明该复合材料在电导率和机械顺应性之间取得了有利的平衡，在循环疲劳、老化以及温度和湿度变化下表现出出色的稳定性。值得注意的是，它在暴露于水分期间和之后都能保持其电导率。该材料的实用性进一步验证了其作为用于电生理信号采集的皮肤界面电极。因此，这项工作为可穿戴生物电子学中柔性电极的制造建立了一种可扩展且生物相容的策略。所得的自支撑薄膜可以通过激光烧蚀精确图案化成针对特定应用定制的各种传感器结构和几何形状。
结果与讨论
化学表征
采用衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱研究分子结构并确认各组分的组成。光谱记录范围为4000–700 cm–1，并对特征吸收带进行了解释以评估薄膜内的化学完整性和潜在的相互作用。纤维素的ATR-FTIR光谱显示在3320 cm–1附近有一个以O-H伸缩振动为中心的宽吸收带，以及在1020 cm–1附近的C-O-C振动，与其多糖骨架一致。EMIM ES中咪唑环的C-H伸缩振动可见于2950 cm–1至3160 cm–1之间，而1566 cm–1处的信号可归因于C=N伸缩。在1300 cm–1至700 cm–1区域观察到的额外谱带归因于乙基硫酸根阴离子的对称和不对称S=O伸缩模式。对于PEDOT:PSS，ATR-FTIR光谱揭示了独特的振动特征，包括2919 cm–1附近的CH2伸缩、1550 cm–1附近的C=C伸缩，以及1300–700 cm–1区域内对应于S=O伸缩、C-O-C弯曲和C-S-C骨架振动的一系列峰。低CNF含量的复合薄膜（L-CPE）显示出叠加的光谱轮廓，包含了来自各个组分的所有主要谱带，验证了纤维素、EMIM ES和PEDOT:PSS在基质中的成功整合。L-CPE光谱中未改变的振动特征表明每个组分化学功能在合成过程中基本得以保留。此外，峰位置的微小偏移和谱带强度的变化表明存在非共价相互作用，如氢键或静电力，这支持了物理整合且化学稳定的复合网络的形成。
此外，通过拉曼光谱研究了L-、M-和H-CPE。1249、1367、1433、1504和1538 cm–1处的特征拉曼谱带可归因于PEDOT的振动模式，而990和1562 cm–1处的峰则源自聚苯乙烯磺酸盐。与原始PEDOT:PSS和PE薄膜的参考样品相比，信号的锐度和位置基本保持不变。这些信号的锐度和位置与原始PEDOT:PSS一致，表明在加入EMIM ES和CNF后，半结晶性和整体域结构大部分得以保留。特别是，1433 cm–1处的C=C伸缩模式反映了PEDOT主链内苯式和醌式共振结构之间的比率。这一独特特征的持续存在表明这些结构在整个复合材料中均匀分布。值得注意的是，从原始PEDOT到L-CPE、M-CPE和H-CPE，~1538 cm–1处的谱带轻微衰减，同时1504 cm–1处的信号增强，表明PEDOT链逐渐向更平面化和醌式构象转变，意味着随着EMIM ES和CNF含量的增加，导电聚合物域的平面化增强。
进行扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）元素映射以研究复合薄膜L-CPE与对照样品PEDOT:PSS的表面形貌和元素分布。L-CPE表面的元素映射显示了关键元素碳（C）、氧（O）、硫（S）和氮（N）的均匀分布，这证实了所有主要组分（CNF、EMIM ES和PEDOT:PSS）的成功掺入。具体而言，氮的存在表明基于咪唑的离子液体，确认了其在薄膜基质中的均匀分散。氧和碳图支持纤维素骨架和PEDOT:PSS的存在，而含硫部分的存在进一步验证了来自PEDOT:PSS和EMIM ES的磺酸基团的整合。相比之下，PEDOT:PSS样品缺乏可检测到的氮，证实了L-CPE薄膜中检测到的氮与EMIM ES有关。总的来说，这些结果支持了L-CPE中元素均匀的复合材料的形成，有机和离子官能团在材料表面有效分布。此外，EMIM ES在真空过滤过程中未被滤除。
机械表征
使用扫描电子显微镜（SEM）在低倍和高倍放大下检查了单个薄膜和复合薄膜的表面形态，以强调由复合配方引起的结构差异。原始的PEDOT:PSS薄膜表现出光滑均匀的表面，高倍放大插图揭示了离散的球形域，这可能归因于薄膜形成过程中的微尺度相分离。相比之下，PE薄膜表现出不太均匀的拓扑结构，其特征在于存在微尺度突起和类空隙特征，可能是由于干燥或混合物凝胶化产生的残余应力。值得注意的是，通过将纤维素纳米纤维（CNF）与PEDOT:PSS和EMIM ES结合制备的L-CPE薄膜的形态发生了显著改变。L-CPE表面呈现出纤维状微观结构，表明CNF在导电聚合物基质中的成功掺入和分布。这些缠结的纤丝增强了表面粗糙度并提供机械增强。具有比L-CPE更高CNF浓度的M-CPE薄膜显示出致密、明显的纤丝网络。在高倍放大下，M-CPE揭示了多尺寸互连的CNFs。这种互连的CNF结构在纯CNF薄膜中也显而易见。在L-CPE和M-CPE中观察到的纤维结构与PEDOT:PSS和PE的无定形或相分离形态形成鲜明对比，强调了CNF在模板化和构建复合结构中的作用。
通过拉伸测试评估了复合薄膜的机械性能。PE薄膜表现出低的拉伸强度和断裂应变，表明其脆性性质和有限的机械增强。相比之下，所有CNF增强的复合样品L-CPE、M-CPE和H-CPE在最大应力和应变方面均表现出显著改善，突出了纤维素纳米纤维（CNF）在增强聚合物基质机械完整性方面的作用。值得注意的是，拉伸强度随着CNF含量的增加而逐步增加，从L-CPE到H-CPE的趋势所示。测得的PE、L-CPE、M-CPE和H-CPE的拉伸强度分别为32、71、170和335 MPa。最大伸长率下的断裂应变分别为12%、24%、21%和21%，表明纳米纤维材料具有承载能力和延展性。这种增强可归因于CNF网络的增强效应，它通过变形过程中有效的应力传递和能量耗散提供结构刚性和柔韧性。CNF与导电聚合物基质之间增加的界面相互作用可能有助于更好的机械耦合，使复合材料能够承受比PE更高的应力。这些发现强调了CNF作为提高导电聚合物基柔性薄膜强度和韧性的填料的有效性。
电学表征
对开发的材料进行了电学表征，重点是其电阻值以及在受控实验条件下的变化。电学表征涉及几种技术，包括在实验室温度和相对湿度（RH）下利用直流四探针法进行薄层电阻测量，该方法通过最小化接触电阻效应来评估材料的电学性能。此外，在不同温度和相对湿度水平下进行薄层电阻测量，以评估环境条件对材料电性能的影响。然后，进行阻抗谱分析以分析材料在一定频率范围内的阻抗。最后，进行了循环疲劳测试（轴向拉伸和压缩），以评估材料随时间的耐久性和稳定性，为其长期可靠性提供见解。
比较各种材料的电性能，PE片材和L-CPE片材表现出最低的薄层电阻值，分别为0.90 ± 0.18 Ω/sq和0.79 ± 0.14 Ω/sq，以及电阻率值，PE测量为5.15 × 10–5Ωm，L-CPE为6.09 × 10–5Ωm。在材料中观察到的低薄层电阻主要归因于PEDOT:PSS和EMIM ES之间的相互作用，以及L-CPE中CNF含量较低。原始PEDOT:PSS薄膜的薄层电阻为1.43 ± 0.29 Ω/sq。离子液体和导电聚合物之间的离子相互作用产生了电荷载流子的路径，降低了电阻并增强了整体电性能。这种相互作用可以导致电荷迁移率和网络连通性增加，从而降低材料的薄层电阻。相比之下，M-CPE和H-CPE片材的薄层电阻增加至4.85 ± 3.24 Ω/sq和28.9 ± 8.30 Ω/sq。较高的薄层电阻值和较高的标准偏差归因于片材组成中CNF百分比的增加，分别为50%和90%。
CP和CE薄膜显示出甚至更高的薄层电阻和电阻率值，特别是CE，其薄层电阻为1.01 × 107± 9.88 × 106Ω/sq。CP和CE薄膜作为参考材料，其中CP薄膜不含任何EMIM ES，CE薄膜不含任何PEDOT:PSS。因此，在PE、L-CPE、M-CPE和H-CPE中观察到的较低薄层电阻可归因于EMIM ES和PEDOT:PSS之间的相互作用。
为了评估复合薄膜在柔性和可穿戴电子产品中潜在用途的环境鲁棒性，系统地研究了在不同温度和湿度条件下的电稳定性。在80% RH的恒定湿度下，在15–55 °C的温度范围内测量了PE、L-CPE和M-CPE薄膜的薄层电阻。PE样品表现出薄层电阻的轻微漂移，值范围从15 °C时的0.69 ± 0.14 Ω/sq到55 °C时的0.82 ± 0.16 Ω/sq。然而，L-CPE样品表现出稳定且低的薄层电阻值，范围大约从15 °C时的0.70 ± 0.02 Ω/sq到55 °C时的0.73 ± 0.02 Ω/sq，在温度扫描过程中波动极小，表明电荷传输的热稳定性。相比之下，M-CPE在所有温度下保持一致的薄层电阻，介于1.63 Ω/sq和1.64 Ω/sq之间，表明由于CNF含量较高，其微观结构对温度更具电阻性。类似地，在40 °C恒定温度下进行的湿度依赖性测量显示，在宽相对湿度范围（30% RH至90% RH）内，L-CPE和PE的相对湿度值变化可忽略不计，进一步强调了复合材料对湿度暴露的不敏感性。然而，M-CPE薄层电阻值从30% RH时的1.72 ± 0.3 Ω/sq下降到90% RH时的1.67 ± 0.29 Ω/sq。
进行阻抗谱以通过评估薄膜在宽频域（1 Hz至10 kHz）内对环境刺激的响应来补充这些发现。温度引起的阻抗幅度差异在15和55 °C之间对于PE和L-CPE在所有频率上都有小的漂移，证实热波动没有强烈破坏电荷传输路径。相比之下，M-CPE表现出略高的阻抗差，特别是在较低频率下，表明可能存在离子运动或微观结构重排的热调制。在40 °C下的湿度依赖性阻抗变化对于所有材料都是最小的，L-CPE显示出最稳定的曲线。此外，所有三种片材PE、L-CPE和M-CPE在0.1 Hz和10 kHz之间表现出恒定的阻抗。恒定的阻抗结合整个测量频率上接近零的相位表明，三种测试的片材在0.1 Hz至10 kHz之间几乎是纯电阻性的。
总体而言，L-CPE复合材料展示了电导率和环境稳定性之间的平衡，在温度和湿度变化下保持其电性能。这种鲁棒行为可能归因于导电聚合物基质和机械增强的亲水性纤维素纳米纤维网络之间的协同相互作用，它们共同稳定了形态和导电通路。这些发现支持L-CPE复合材料适用于在变化环境条件下需要一致电功能的应用，如生物电子接口、可穿戴传感器和软能量设备。
在连续暴露于人工汗液超过24小时期间，测量了1 kHz下的阻抗漂移。我们观察到在整个测试期间仅有2%变化的微小漂移。老化测试用于通过将导电薄膜暴露于恒定的环境条件（包括湿度和温度）下一段时间来评估其长期电稳定性。该实验量化了PEDOT:PSS（P）和L-CPE薄膜在恒定温度和湿度下被动老化15天后的薄层电阻绝对相对变化。原始PEDOT:PSS（P）薄膜表现出明显的薄层电阻增加，并伴有显著的变异性，表明严重的电降解和差的稳定性。L-CPE薄膜观察到进一步的改进，它将PEDOT:PSS与EMIM ES和CNF结合在一起，产生更小的薄层电阻绝对相对变化值，并增强了抗老化性。
在循环疲劳测试之前和之后进行了阻抗谱分析，以评估L-CPE复合材料在反复机械变形下的耐久性。在疲劳测试之前，阻抗谱显示出导电材料的特征：在频率范围内相对较低且稳定的阻抗值。在经过10万次机械加载（疲劳测试）后，阻抗谱基本保持不变。在疲劳后响应中观察到的阻抗值的轻微降低，特别是在低频区域，可能表明通过应力诱导的微观重排改善了电荷传输，或导电域之间形成了更好的接触。相位角图进一步支持了这种稳定性；在整个频率谱上没有观察到显著偏移，表明材料的介电和导电特性在循环变形后得以保留。总之，这些结果证实了L-CPE复合材料的电化学和结构弹性，突出了其在动态或柔性电子设备中应用的潜力，这些设备预期会受到长期机械负载。
表皮应用
为了评估残留离子液体对材料细胞毒性的影响，我们结合使用核磁共振（NMR）和WST-8细胞活力测定法进行了分析，符合ISO 10993-5标准。过滤L-CPE配方后收集的残留物的NMR谱显示出对应于EMIM ES的特征峰，表明痕量的离子液体仍然结合在固体基质内，而一部分未结合的EMIM ES在过滤过程中被去除。在L-CPE薄膜制造后，在1小时NMR谱中仍然观察到与EMIM ES相关的微小但独特的共振信号，证实了少量非包封离子液体的存在。为了进一步验证这一观察，将薄膜浸入蒸馏水中1分钟，风干，然后在新鲜的D2O中重新分析。在将洗涤过的L-CPE浸入D2O中10分钟、12小时和24小时后，未检测到显著的EMIM ES信号，证实残留离子液体可以通过简单的洗涤步骤有效去除。这些结果表明检测到的信号源自表面结合的残留物，而不是持续泄漏，并且包封的离子液体在L-CPE基质内保持稳定。
通过测量四个L-CPE样品在浸入磷酸盐缓冲盐水（PBS）之前和之后以及随后干燥后的薄层电阻，进一步评估了水合作用下导电网络的稳定性。薄层电阻从大约0.83 Ω/sq增加到PBS暴露后的1.1 Ω/sq，并在干燥后恢复到0.90 Ω/sq。这对应于初始状态和最终状态之间约8%的相对变化，表明水合作用引起导电通路的暂时中断，可能是由于聚合物溶胀，而电性能在干燥后 largely 恢复。在PBS浸泡状态下增加的变异性可能源于薄膜内吸水量或微观结构重排的差异。
为了评估生物相容性，在孵育3小时后进行了WST-8细胞毒性测定。几种配方，包括PEDOT:PSS（P）、CP和PE，表现出明显的细胞毒性，细胞活力远低于ISO 10993-5定义的70%阈值。这表明未改性或纯化不足的材料构成细胞毒性风险，可能由于残留离子液体。相比之下，基于CNF、CE和L-CPE的薄膜显示出超过70%的细胞活力。包含适当的阳性和阴性对照验证了测定，产生了预期的高和低活力响应。总体而言，这些结果证实，适当的配方和纯化，特别是去除未结合的EMIM ES和掺入稳定化的CNF，对于确保这些复合材料用于生物电子应用的细胞相容性至关重要。
使用啮齿动物模型进行电生理信号记录，以评估L-CPE复合薄膜的实际生物电子应用性。将一个柔软的L-CPE基电极贴片保形地附着在麻醉大鼠胸部区域的皮肤上，标准Ag/AgCl参考电极和接地电极放置在相邻区域。电极贴片保持与皮肤的接触，得益于其柔软性和保形性，这对于在心电图测量期间最小化运动伪影和确保信号稳定性至关重要。顶部轨迹展示了超过5分钟的稳定长期原始信号采集，突出了电极的低噪声接口和一致的皮肤-电极接触。中间面板显示了应用高通滤波器后的10秒窗口，显示出周期性和明确波形，可能对应于心动周期。底部轨迹具有亚秒级分辨率，清晰解析了不同的波形分量，包括P、QRS、T样特征，平均213 bpm，信噪比为20 dB（商业Ag/AgCl基准为17 dB）。SNR是通过将R-S波形的平均RMS幅度除以基线噪声的RMS（13 a.u.）来计算的。
为了评估设备的生物相容性和皮肤耐受性，在1周之前、期间和之后拍摄了照片。皮肤在移除后看起来未受影响，没有发红、刺激或损伤的迹象，表明L-CPE贴片对于皮肤界面应用是无创且安全的。此外，表皮阻抗谱测量显示CPE薄膜表现出与表面金电极相似的阻抗。这些结果验证了L-CPE复合材料作为生物电子接口的有前途候选者，提供了高质量信号采集结合皮肤保形可穿戴性和生物相容性。
结论
我们开发了一种基于CNF、PEDOT:PSS和离子液体EMIM ES的柔性导电复合材料，并系统评估了其物理化学、机械和生物电子性能。ATR-FTIR分析证实了所有组分的成功整合，具有保留的官能团，表明是一种非破坏性制造方法。通过SEM进行的形态分析表明，CNF引入了纤维状和缠结的微观结构，增强了界面粘附性和导电聚合物基质的分散性。
机械测试证明，CNF增强显著提高了拉伸强度和伸长率，验证了复合材料的结构鲁棒性。通过监测宽温度（15至55 °C）和湿度（30% RH至90% RH）范围内的薄层电阻和阻抗，验证了环境电稳定性，其中L-CPE表现出最小的变化，表明在不同条件下可靠的导电性。在疲劳测试之前和之后进行的电化学阻抗谱揭示了阻抗幅度和相位的可忽略变化，证实了机械循环下的电耐久性。
生物电子测量进一步证明了该材料实时采集电生理信号的能力，在啮齿动物模型中记录了稳定的心脏信号。总之，这些结果凸显了L-CPE作为柔性和皮肤保形电子学导电薄膜的潜力，结合了机械完整性、环境和电化学稳定性以及良好的生理监测应用信号质量。
实验部分
材料
开发的材料包含三种组分：使用水射流均质化纤颤化的CNFs、1.3 wt% PEDOT:PSS水分散液和EMIM ES（> 98%纯度）。
薄膜制备
首先，通过将25 g CNF与475 g去离子水均匀超声40分钟（2 W功率，5秒开/关脉冲）形成CNF混合物。然后根据所示比例混合CNF和PEDOT:PSS，磁力搅拌15分钟。最后，加入EMIM ES，手动混合2分钟。
制造方法涉及将制备好的混合物移液到真空
