导电聚合物PEDOT∶PSS及其在柔性生物医学传感器中的研究进展.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 基金项目:上海理工大学医工交叉项目()、上海介入医疗器械工程技术研究中心项目()资助作者单位:上海理工大学健康科学与工程学院(上海)休斯敦大学机械工程系(休斯敦得克萨斯州)通信作者:孙力,:;刘颖,:导电聚合物 及其在柔性生物医学传感器中的研究进展章浩伟 王怡东 玄雪婷 孙力 刘颖摘 要 柔性生物医学传感器面临延展性差、灵敏度不高的问题,需要开发同时具有高电学性能和力学性能的材料,而传统陶瓷、金属或半导体通常不能满足。在导电聚合物中,聚(,亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(,)(),是一种具有较高导电性、化学稳定性以及良好生物相容性的材料,已成为一种被
2、广泛研究的电极和传感器材料,并在生物医学领域得到应用。本文总结了 的电学性能、力学性能及改性方式,并对其在柔性生物医学传感器方面的应用现状进行综述。关键词 ;柔性传感器;导电聚合物;生物医学传感器:中图分类号 文献标志码 文章编号()本文著录格式 章浩伟,王怡东,玄雪婷,等 导电聚合物 及其在柔性生物医学传感器中的研究进展北京生物医学工程,():,():,;,:(:);(:)【】,(,)()(),【】;引言随着科技的进步和健康观念的提升,人们对医疗设备的舒适性提出了更高的要求。这需要医疗设备在保持自身功能的同时,实现与皮肤的完美接触。而传统的导电材料包括碳和金属等无机材料,由于其本身的原子间相
3、互作用及微结构特征,块体的柔顺性和延展性都较差。近来研究人员发现通过材料微结构设计或薄膜化可以在一定程度上提高这些材料的柔韧性和延展性,但其可拉伸性和力学 化学生物适配度等仍然很难达到柔性医疗设备的要求。因此,科学和工业界一直都在寻找、合成或集成具有高导电性的可延展材料,以满足人们对柔性医疗电子设备的要求。年,等将碘蒸气掺杂进聚乙炔,使其导电性可提高 个数量级,从而开创了导电聚合物这一崭新的材料研究领域。在导电聚合物中,聚(,亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(,)(),具有一定柔性、电导率高、生物相容性好、在高温空气中具有较好的稳定性和耐湿性,因此经常被选作柔性电极材料应用于各种传感器的研发
4、。本文将对 的电学性能及力学性能进行综述,并介绍 在柔性生物医学传感器方面的研究进展。及其性能 是由,乙烯二氧噻吩单体(,)的氧化聚合物和聚(苯乙烯磺酸盐)(),两种分子组成的二嵌段共聚物。的分子量一般为 ,的 摩 尔 质 量 为 。的电学性能商用 为水分散体,由于 比例的不同,其电导率在 之间。近年来的研究表明,可以通过物理方法处理或与其他溶液共混(如添加有机溶剂、表面活性剂、盐或酸等),提高 的电导率。等利用水热处理,在相对湿度大于和温度高于 的条件下,使 的电导率从 提高到 。等将二甲基亚砜(,)添加到 水溶液中,发现溶液中形成 相,促进 结晶,进而提高电导率的水平。等利用甲酰胺和甲醇的
5、共溶剂对 进行双重处理,使 薄膜的电导率在一次处理后增加到 ,两次后增加到 。等使用苯甲酸处理 ,使其电导率提高到 以上。导致电导率提高的机理一般为促进 和 之间的相分离以及 链重取向。结合 具有离子电子导电的特性,其可以广泛应用于柔性电极、超级电容器和电化学传感器等领域。的力学性能 在一般情况下表现为脆性,而随着相对湿度的增加,其力学性能虽发生一定改变,但仍不具有可拉伸性。等通过拉伸试验在不同相对湿度下测定了 的力学性能。在相对湿度增加的情况下,其杨氏模量从 (相对湿度)降为 (相对湿度)。研究表明,通过与弹性体结合、构建力学微结构或使用添加剂可以有效提高 的可拉伸性。等将 转移到预拉伸的聚
6、(二甲基硅氧烷)(,)薄膜上,成功制备具有褶皱结构的双层 电极,使该电极可实现 的应变,并在 次循环后不产生明显疲劳。等将 和 共混,并添加活性剂,获得了断裂伸长率为 的薄膜。等将 与天然橡胶胶乳共混,实现了 的断裂伸长率。经过处理的 表现出良好的导电性和拉伸性能。需注意,经过改性的 在拉伸过程中仍会产生裂纹,影响电荷传递通路,使其电导率下降。因此,在制备过程中需对不同材料间的相互作用进行更详细的分析与改进,以制作性能更完备的柔性电子产品。柔性温度传感器传统的温度传感器大多是将无机温度敏感材料第 期 章浩伟,等:导电聚合物 及其在柔性生物医学传感器中的研究进展构建在硬质基板上,加工复杂,一般不
7、具有柔性,大大限制了其在生物医学方面的应用。导电聚合物 导电性高、机械柔韧性好,电阻率与温度还具有一定的相关性,促进了其在温度敏感层中的应用。等利用聚酰亚胺薄膜制备了基于 的柔性温度传感器。该传感器力学稳定性好,重复性高,还可以区分 的温度变化。等通过将 薄膜夹在两层 中间,设计了一种基于微裂纹的高性能 传感器。稳定的微裂纹使传感器实现高灵敏度与线性度,其在 之间的线性度达到。柔性应变传感器柔性应变传感器将感受到的力学信号转换为电信号进行监测,大多依靠电阻、电容的变化,因此具有检测范围小、灵敏度低的不足,在生物医学领域的应用有限。经处理的 具有高拉伸强度,可扩大应变传感器的检测上限,还可以在一
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