关于“柔性喷墨打印pH传感器用于器官芯片生物医学测试”的学术研究报告

一、 主要作者、机构及发表信息

本项研究由克罗地亚萨格勒布大学化学工程与技术学院（Faculty of Chemical Engineering & Technology, University of Zagreb）的Željka Boček、Donna Danijela Dragun、Laeticia Offner（亦隶属于法国波尔多国立高等材料、食品与化学学院）、Sara Krivačić、Ernest Meštrović*和Petar Kassal*（*为通讯作者）共同完成。该研究成果以题为《Flexible inkjet-printed pH sensors for application in organ-on-a-chip biomedical testing》的论文形式，于2026年1月3日发表在学术期刊《Biosensors》上（卷16，第38期）。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于生物医学工程、分析化学与微纳制造交叉领域，具体聚焦于柔性电化学传感器和器官芯片技术。

研究背景：可靠的肺部环境模型对于吸入产品、药物递送以及气溶胶与组织相互作用的研究至关重要。在肺部的生理过程中，pH值的波动是常见现象，因此，在肺芯片设备中实时监测pH变化具有重要的研究意义。传统的玻璃pH电极虽然准确，但其易碎、体积大、难以集成到微型化、动态的器官芯片系统中。因此，开发微型化、柔性、低成本且易于制造的固态电位式pH传感器成为迫切需求。喷墨打印作为一种非接触、高分辨率的增材制造技术，在制备定制化、可扩展的传感器方面展现出巨大潜力。

研究目标：本研究旨在开发一种适用于肺芯片系统的柔性、微型化喷墨打印pH传感器。具体目标包括：1) 评估不同类型的pH敏感材料（氢离子选择性PVC膜和聚苯胺）在不同柔性导电基底（丝网印刷碳电极和喷墨打印石墨烯电极）上的沉积与性能；2) 优化并制备一个完全喷墨打印的、基于聚苯胺的电位式pH传感系统；3) 将该优化的传感器系统集成到一个仿生肺芯片模型中，并演示其在模拟气溶胶暴露下实时监测pH变化的能力，以验证其在生物医学测试中的应用潜力。

三、 详细研究流程

本研究包含三个主要部分：pH传感器的制备与优化、传感器性能表征、以及传感器在肺芯片模型中的概念验证应用。

第一部分：pH传感器的制备与优化 此部分工作系统地探索了多种传感器构建方案。 1. 电极基底制备：研究使用了两种主要的柔性导电基底：商业化的丝网印刷碳电极和实验室自制的喷墨打印石墨烯电极。喷墨打印石墨烯电极使用稀释后的石墨烯墨水在聚酰亚胺基底上打印，并通过热退火和光热闪烧处理以确保导电性。 2. 参比电极制备：为了构建完整的双电极电位测量系统，研究开发了喷墨打印的准参比电极。首先使用纳米银墨水打印银电极，然后通过化学法（浸入FeCl₃溶液）或电化学法（在KCl溶液中恒电流氧化）在其表面沉积AgCl层，形成Ag/AgCl可逆电对。重点优化了沉积时间，以确保形成稳定、可重复的AgCl层，同时避免过度氧化破坏电极。 3. pH敏感层制备与测试：研究评估了两种主流的pH敏感材料。 * 氢离子选择性电极：采用经典的离子选择性膜配方，包含氢离子载体I、增塑剂DOS、PVC聚合物和离子交换剂KTpClPB。将该膜溶液通过滴涂和自动点样两种方式，沉积到玻璃碳电极、丝网印刷碳电极和喷墨打印石墨烯电极表面，形成氢离子选择性电极。 * 聚苯胺电极：尝试了两种沉积方法。 a) 电化学沉积：在含有苯胺单体的硫酸溶液中，通过循环伏安法在电极表面电聚合生成聚苯胺薄膜。 b) 滴涂沉积：将聚苯胺翠绿亚胺盐粉末分散在四氢呋喃与乙二醇的混合溶剂中，形成悬浮液，然后滴涂到电极表面并加热干燥。此方法被重点优化，用于制备最终的全喷墨打印系统。

第二部分：传感器性能表征 所有制备的传感器均在生理pH范围（5.4-8）的磷酸盐缓冲液中进行电位法校准，以评估其灵敏度（斜率）、线性、重现性和稳定性。关键性能测试包括： * 灵敏度与线性：通过测量传感器在不同pH缓冲液中的开路电位，绘制校准曲线，计算其斜率（mV/pH）和线性相关系数。 * 稳定性：将传感器长时间浸入固定pH的缓冲液中，监测其电位漂移（mV/h）。 * 可逆性：测试传感器在pH值递增和递减序列中的响应，评估其滞后性。 * 抗干扰性：在固定pH和氯离子浓度的背景下，分别添加不同浓度的常见干扰离子（如Na⁺， Mg²⁺， NH₄⁺， SO₄²⁻， NO₃⁻），观察传感器电位的变化。 * 参比电极稳定性：测试了不同方法制备的Ag/AgCl准参比电极在不同离子强度溶液中的电位稳定性。

第三部分：肺芯片集成与概念验证 1. 肺芯片模型构建：研究设计并制造了一个仿生肺芯片平台。 * 芯片结构：基于肺泡的六边形几何形态，使用数字光处理3D打印技术制作了具有穹顶状基底和侧向端口的外壳。 * 仿生屏障：采用静电纺丝技术制备了聚己内酯纳米纤维膜，模拟肺泡壁的机械性能和多孔结构。 * 粘膜环境模拟：在PCL膜上浇铸海藻酸钠溶液，并通过喷洒CaCl₂溶液进行离子交联，形成水凝胶层，模拟天然的粘液层。 2. 传感器集成与测试：将优化后的全喷墨打印聚苯胺pH传感器放置于水凝胶层中，并覆盖第二层水凝胶进行封装。将组装好的系统连接至一个模拟“呼吸”的气源。通过向系统周期性泵入10 wt.%的乙酸气溶胶，模拟酸性物质吸入，并利用集成的pH传感器实时监测水凝胶层内部的pH变化，研究该仿生屏障对质子扩散的渗透性。测试了两种模式：静态模式（泵送1分钟后停止）和动态连续“呼吸”模式（持续泵送30分钟）。

四、 主要研究结果

1. 参比电极优化结果：电化学沉积10秒制备的Ag/AgCl喷墨打印准参比电极表现出良好的电位稳定性（漂移约0.3 mV/h），且在不同离子强度下电位变化微小（2-3 mV）。电化学沉积法比化学法能产生更均匀、可重复的AgCl涂层，因此被选为最终方案。

2. 氢离子选择性电极结果：无论是滴涂还是点样方式，在丝网印刷碳电极上制备的H-ISE均表现出接近能斯特理论的灵敏度（约57.6 mV/pH）。点样法具有更好的电极间重现性。将点样法应用于喷墨打印石墨烯电极，并与喷墨打印参比电极配对，获得了优异的性能：灵敏度为57.100 ± 0.727 mV/pH，在整个动态范围内线性良好（R² = 0.9994）。这证明了喷墨打印平台用于制备高性能离子选择性电极的可行性。

3. 聚苯胺电化学沉积结果：在丝网印刷碳电极和喷墨打印石墨烯电极上电沉积的聚苯胺均表现出超能斯特响应（灵敏度分别约为75 mV/pH和70 mV/pH）。灵敏度高于理论值可能与沉积过程中使用的小尺寸硫酸根掺杂离子在测量时的脱掺杂过程有关。尽管电沉积能形成均匀的涂层，但考虑到其副产物可能存在细胞毒性以及难以规模化生产，研究转向了更生物相容的滴涂法。

4. 聚苯胺滴涂沉积结果：这是本研究的关键优化成果。将聚苯胺翠绿亚胺盐分散液滴涂到丝网印刷碳电极上，获得了近乎理想的能斯特灵敏度（58.935 ± 0.777 mV/pH）和出色的电极间重现性。进一步将此法应用于喷墨打印石墨烯电极，并与优化的喷墨打印Ag/AgCl参比电极结合，构成了全喷墨打印柔性pH传感系统。 * 性能：该系统灵敏度为58.837 ± 0.216 mV/pH，线性优异。 * 稳定性：在pH 6.4缓冲液中浸泡6小时和30小时，电位漂移极小（约0.02 mV/h），表现出卓越的长期稳定性。 * 可逆性：在不同方向的pH变化测试中表现出良好的可逆性，滞后现象很小。 * 抗干扰性：除Mg²⁺在较高浓度（10 mM）下显示轻微干扰外，其他常见离子（Na⁺， NH₄⁺， SO₄²⁻， NO₃⁻）均未引起显著电位变化。 这些结果表明，基于滴涂聚苯胺的FIJp系统是一个稳定、可靠、且易于制造的柔性pH传感平台。

5. 肺芯片概念验证结果：将FIJp pH传感器成功集成到由静电纺丝PCL膜和海藻酸盐水凝胶构成的肺芯片模型中。光学显微镜显示，水凝胶具有10-100微米的多孔结构，PCL纤维直径可达20微米，成功模拟了生物组织的结构。 * 渗透性测试：当引入10 wt.%乙酸气溶胶时，传感器成功监测到了水凝胶层内pH的实时下降。 * 动态与静态模式对比：在连续“呼吸”模式下，系统信号在约25.5分钟后达到稳定；而在静态模式下，则需要超过36分钟。动态模式下的总电位变化（169 mV，对应ΔpH约2.87）大于静态模式（133 mV，对应ΔpH约2.26），表明“呼吸”动作促进了质子的扩散。传感器信号在泵送期间显示出微小的振荡，但整体稳定，证明了其在动态生理模拟环境中的工作能力。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发并验证了一种适用于器官芯片的柔性、全喷墨打印的电位式pH传感器。通过系统比较，最终选择了生物相容性更好的滴涂聚苯胺作为敏感材料，并与喷墨打印的Ag/AgCl准参比电极集成，构建了性能优异的FIJp传感系统。该系统具有能斯特理论灵敏度、良好的稳定性、可逆性和抗干扰性。

更重要的是，研究团队将该传感器无缝集成到一个仿生的肺芯片模型中，该模型结合了模拟肺泡屏障机械性能的静电纺丝膜和模拟粘膜环境的水凝胶。实验成功演示了该集成系统能够实时监测模拟气溶胶暴露引起的局部pH变化，证明了其用于研究吸入物质扩散和化学微环境变化的潜力。

科学价值与应用价值： 1. 方法学贡献：为器官芯片系统提供了一种有效的原位、实时化学传感集成方案，将机械模拟（呼吸）与化学传感（pH监测）结合在一个平台上。 2. 技术推动：展示了喷墨打印技术在制造低成本、可定制、柔性生物传感器方面的优势，为传感器的大规模生产和与微流控系统的集成提供了可行路径。 3. 应用前景：该研究建立的平台可用于更真实地模拟和研究吸入疗法（如药物气溶胶的溶解、渗透）、呼吸道疾病（如感染或炎症导致的局部酸中毒）以及环境污染物与肺组织的相互作用，有助于推动更精准的体外肺模型和个性化医疗的发展。

六、 研究亮点

1. 创新性的传感器制备策略：摒弃了可能存在生物相容性问题的传统PVC离子选择性膜和存在副产物毒性风险的电沉积聚苯胺，创新性地采用滴涂商业聚苯胺翠绿亚胺盐粉末的方法，成功制备了高性能、生物相容的pH敏感层，并与全喷墨打印工艺完美结合。
2. 完整的“设计-制造-集成-验证”工作流：研究不仅停留在传感器本身的优化，更完成了从传感器设计、喷墨打印制造、到与复杂仿生组织模型（静电纺丝膜+水凝胶）集成、再到最终功能性验证的完整闭环，充分证明了技术的实用性和可靠性。
3. 面向应用的系统集成：研究目标明确指向肺芯片这一前沿生物医学应用。所构建的模型不仅考虑了化学传感，还兼顾了肺泡的物理结构（六边形穹顶设计）、机械特性（柔性多孔膜）和生化环境（水凝胶），是一个高度仿生的多功能测试平台。
4. 对动态过程的监测能力：概念验证实验不仅测量了静态pH变化，还特别比较了动态“呼吸”与静态条件对物质渗透的影响，揭示了机械运动对化学微环境的影响，这对于模拟真实的肺部生理条件至关重要。

七、 其他有价值的内容

研究在讨论部分展望了未来的发展方向：计划在该平台上集成伏安型传感器，并探索“角色切换电极”设计，即单个电极可通过重新配置依次作为工作电极、对电极或参比电极，从而用更少的电极实现多模态分析。这显示了该平台具有良好的可扩展性和多功能化潜力，可用于同时监测pH、溶解氧、葡萄糖、炎症标志物等多种参数，从而更全面地评估肺部的生理和病理状态。