基于海藻酸钠生物聚合物复合材料的柔性薄膜制备及其在呼吸健康监测智能可穿戴传感器中的应用研究

第一作者及机构
本研究由马来西亚马来亚大学（Universiti Malaya）化学系的Nurdiana Nordin教授团队主导，合作作者包括同校物理系的Azzuliani Supangat教授以及泰勒大学（Taylor’s University）工程与科学系的Nurfarhanim Abu Bakar博士。研究成果发表于ACS出版社的期刊《Biomacromolecules》，接收时间为2025年3月31日，修订于2025年2月6日至3月28日。

学术背景
本研究属于柔性电子与生物材料交叉领域，旨在解决传统呼吸监测传感器在舒适性、便携性和准确性上的不足。海藻酸钠（Sodium Alginate, Na-Alg）作为一种天然多糖，因其生物相容性、可降解性及离子交联能力被选为基材。研究团队通过掺杂钴离子（Co²⁺）和导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），开发了一种兼具高导电性和机械柔性的薄膜材料，目标是为呼吸健康监测提供新型可穿戴传感器解决方案。

研究流程与实验方法
1. 材料制备
- 海藻酸钠复合水凝胶合成：将2%海藻酸钠溶液与1%甘油（Glycerol）混合，通过磁力搅拌均质化。
- 钴离子掺杂薄膜：将0.1 M硝酸钴溶液与海藻酸钠溶液反应2小时，形成Co²⁺交联水凝胶，经3天干燥成膜。
- PEDOT:PSS复合薄膜：向海藻酸钠溶液中加入500 μL PEDOT:PSS，分装后干燥成膜。
- 多组分复合薄膜：结合上述两种方法，制备Na-Alg/Co/PEDOT:PSS/Glycerol三元复合材料。

1. 表征与分析

   • 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：分析薄膜中羧基（-COOH）与Co²⁺的配位作用，发现Co²⁺掺杂增强了O-H和C=O键的振动强度（1405 cm⁻¹处特征峰）。
     
   • 场发射扫描电镜（FESEM）：显示Na-Alg/Co薄膜具有大孔结构（孔径约5 μm），而添加甘油后薄膜表面更光滑，孔隙分布均匀。
     
   • 核磁共振（NMR）：证实Co²⁺与海藻酸钠中古洛糖醛酸（G-block）的羧基结合，导致质子信号展宽（3.5–4.2 ppm）。
     
   • 差示扫描量热法（DSC）：显示甘油使薄膜玻璃化转变温度（Tg）从96.7°C升至160.3°C，提升热稳定性。
     

2. 电学与光学性能测试

   • 导电性：Na-Alg/PEDOT:PSS/Glycerol薄膜电导率最高（6.61×10⁻5 S/m），而Co²⁺掺杂反而降低导电性（5.04×10⁻5 S/m），归因于电荷散射效应。
     
   • LED集成实验：在27.9 V电压下，含甘油薄膜的LED发光强度达236±25 AU，优于Co²⁺掺杂样品（168±75 AU）。
     
   • 可穿戴测试：薄膜传感器可实时监测呼吸频率，压力灵敏度测试显示电阻变化率（ΔR/R₀）与呼吸强度呈线性关系（图9b-d）。

主要结果与逻辑关联
1. 材料结构优化：甘油作为增塑剂提升薄膜均质性，FTIR和FESEM证实其通过氢键增强分子间作用力。
2. 电学性能矛盾：尽管Co²⁺理论上可通过羧基配位促进电荷转移，但实验表明高浓度Co²⁺引入缺陷散射，降低载流子迁移率。这一发现推翻初始假设，为后续优化提供方向。
3. 传感器性能验证：呼吸监测实验中，薄膜对胸腔扩张的电阻响应灵敏度达0.015/Pa，且30°–60°弯曲下信号稳定性偏差%（图8d），满足可穿戴需求。

结论与价值
本研究通过多尺度表征揭示了甘油在提升海藻酸钠基薄膜电-机械性能中的关键作用，而Co²⁺的负面影响为后续金属离子筛选提供警示。科学价值在于阐明了生物聚合物与导电材料的协同机制；应用价值体现在开发出可集成LED光学检测与压力传感的双模呼吸传感器，其生物相容性（通过OECD标准测试）和低功耗特性（近零待机功耗）为个性化医疗提供新工具。

研究亮点
1. 创新材料设计：首次将Na-Alg/PEDOT:PSS/Glycerol三元体系用于呼吸传感器，突破传统单一传感机制限制。
2. 反常发现：Co²⁺掺杂降低导电性，通过缺陷散射理论合理解释，为类似研究提供重要参考。
3. 工艺优化：开发室温成膜工艺，避免高温处理，兼容柔性电子大规模生产需求。

其他价值
研究团队提出的“双模信号检测”（光学+电阻）策略可扩展至其他生理参数监测，如心率和汗液分析。此外，薄膜在扭曲60°后仍保持导电稳定性（图8e），为可拉伸电子器件设计提供新思路。