基于PEDOT:PSS的环保型柔性复合材料：用于高性能干式心电图电极的可持续解决方案

《Polymers》：Flexible Composites Based on PEDOT:PSS for Environmentally Friendly Electrocardiography Electrodes María Elena Sánchez Vergara, José Miguel Rocha Flores, Marisol Martinez-Alanis, Selma Flor Guerra Hernández and Ismael Cosme

为解决传统Ag/AgCl电极长期使用易致皮肤过敏、导电凝胶干燥导致信号衰减及不环保等问题，研究人员开发了基于PEDOT:PSS/PVA/黄原胶（PXP）及MoO3改性（PXPM）的柔性干电极，沉积于宣纸、牛皮纸和小麦渣等可持续基底上。结果表明，该电极能有效检测临床级质量的心电图信号，光学性能稳定，电导率优异，力学性能适配皮肤形变，为可穿戴医疗设备的绿色化发展提供了新策略。

　　

心脏健康是现代人关注的焦点，而心电图（ECG）作为诊断心血管疾病的“金标准”，其监测技术的便捷性与舒适性直接影响用户体验。传统临床常用的银/氯化银（Ag/AgCl）电极依赖导电凝胶降低皮肤-电极阻抗，但长期使用易引发皮肤刺激、过敏反应，且凝胶干燥会导致信号质量下降，难以满足日常连续监测需求。可重复使用的吸盘式电极虽无需凝胶，却存在舒适度差、消毒不彻底易传播病原体等问题。近年来，基于纳米材料和导电聚合物的干电极成为研究热点，其中聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）因兼具电子与离子传导特性备受关注，但其力学局限性——如延展性不足、长期自粘性下降及水环境稳定性差——仍制约着实际应用。如何通过材料复合与基底优化，开发出兼具高性能、生物相容性及环境友好性的ECG电极，成为可穿戴医疗设备领域的核心挑战之一。

为此，来自墨西哥的研究团队在《Polymers》期刊发表研究，通过溶液加工法制备了全有机、柔性、可持续的干电极。他们以PEDOT:PSS为基础，引入聚乙烯醇（PVA）和黄原胶作为增稠剂与粘合剂，甘油作为增塑剂，构建了PXP复合材料；进一步掺杂三氧化钼（MoO₃）形成PXPM复合材料，并将其沉积于宣纸、牛皮纸和小麦渣三种纤维素基底上。研究系统表征了复合材料与电极的光学、荧光、电学及力学性能，并通过单通道ECG采集电路评估了其在静息、深呼吸和运动状态下的信号质量，结合信号质量指数（SQI）进行了量化分析。

材料与方法

研究采用滴涂法将PXP和PXPM复合材料沉积于直径3cm的圆形基底上，经室温干燥、梯度升温（70℃、100℃、120℃、140℃）热处理制备电极。通过紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）及万能试验机分别表征材料的光学性质、微观形貌、元素组成与力学性能。ECG信号采集使用自制电路（含仪表放大器、高通与低通滤波器），电极放置于受试者腹部右下、左下及右上位置，记录电压差。信号质量通过三个指标评估：bSQI（基于两种QRS波检测算法的匹配率）、kSQI（信号峰度）和sSQI（QRS波段功率占比）。

结果与讨论

3.1. PXP和PXPM复合材料的表征

光学分析显示，PXP在350-550nm处有宽吸收带（中心418nm），源于PEDOT:PSS中噻吩环的π-π*跃迁；PXPM的吸收带红移至400-750nm（中心545nm），归因于MoO₃与PEDOT:PSS的相互作用，扩展了电子态并增强PEDOT堆积。两者透光率均极低，可减少外部光干扰，提升信号质量。荧光光谱中，PXP在443nm处呈现尖锐强发射峰，而PXPM发射峰宽化并蓝移至437nm，强度降低55%，这与MoO₃引起的荧光淬灭及电荷转移效应相关。电学测试表明，两种复合材料均表现出欧姆行为和电连续性，PXPM因MoO₃的p型掺杂作用（提取电子增加空穴浓度）具有更高电流和更低电阻。老化实验（6个月常温无密封）显示，PXP电流损失更大，证明MoO₃能稳定聚合物网络中的水分子，提升电学稳定性。

SEM分析揭示基底显著影响复合材料微观形貌：玻璃基底上PXP呈现多孔泡沫状结构（50μm尺度可见高密度圆形区域，2μm尺度为球形空腔），这是溶剂蒸发与相分离的结果；宣纸基底上，复合材料包裹纤维并形成圆形凹陷孔隙，其微孔结构促进复合材料的渗透；小麦渣和牛皮纸基底上，PXP涂层较均匀但存在剥落或气泡。加入MoO₃后，PXPM在小麦渣和牛皮纸上形成光滑连续的薄膜，显著抑制多孔结构，而在玻璃和宣纸上形貌变化较小。EDS数据证实，Mo元素在小麦渣（2.38%）和牛皮纸（3.80%）上的含量远低于宣纸（20.43%），表明MoO₃作为界面改性剂，在成功整合时形成薄埋层，促进均匀涂层；高浓度则提示表面团聚。

力学性能测试显示，所有电极应力-应变曲线均包含弹性区与塑性区。牛皮纸基底的电极力学性能最优（拉伸强度与变形率最高），其次是宣纸和小麦渣。MoO₃提升了材料断裂强度：在牛皮纸上，PXPM刚性增加、变形率降低；在小麦渣上，PXPM同时提高强度与变形率；在宣纸上，两者变形率相近但PXPM强度略高。电极弹性模量（1000-3300Pa）与拉伸强度（1000-4900Pa）满足皮肤接触所需的柔顺性与稳定性要求。

3.2. PXP和PXPM电极的性能评估

ECG信号对比显示，自制电极信号形态与商用Ag/AgCl电极一致，且信噪比更优。信号质量指数分析表明：所有电极kSQI值均大于5（宣纸基底的PXP和PXPM分别达15.114和13.355），符合无噪声信号标准；bSQI值除牛皮纸基底PXPM为0.993外均接近1，QRS波检测准确率超99%；sSQI值在0.557-0.630之间，处于0.5-0.8的理想范围，表明QRS波段能量占比正常。运动状态测试中，PXPM电极的kSQI普遍高于PXP，且所有电极在不同活动下的QRS检测率均超98%，优于文献报道的干电极性能。

结论

本研究通过滴涂法制备的PXP和PXPM复合材料电极，成功实现了在宣纸、牛皮纸和小麦渣等可持续基底上的高效ECG信号检测。MoO₃的引入不仅优化了复合材料的电学性能与界面形貌，还提升了力学稳定性。电极的低透光率减少了光学干扰，均匀的涂层结构与适宜的力学性能确保了皮肤接触的可靠性。信号质量评估证实其性能与商用Ag/AgCl电极相当，且无需导电凝胶，为开发环保型可穿戴医疗设备提供了重要的材料基础与技术参考。这一成果推动了柔性电子器件向绿色化、可持续方向发展，在远程医疗与日常健康管理中具有广阔应用前景。