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2025年7月28日，南极熊获悉，来自布莱顿大学的研究人员发现，通过改变3D打印电极的表面图案和尺度可以显著影响金纳米颗粒的沉积效果，展示了通过3D打印设计提升电极性能的实际可行性。
本研究由 Bhavik Anil Patel 博士领导，还探索了这些电极在传感应用中的有效性。研究内容以题为“Deposition of gold nanoparticles is varied by different scales ofvarious surface patterns on 3D printed electrodes”的论文发表在《Electrochimica Acta》上，重点研究了采用熔融长丝制造 (FFF) 技术制成的电极。
在本研究中使用了由炭黑和聚乳酸 (CB/PLA) 制成的导电长丝，购自英国供应商3DFilaPrint，并使用Flashforge Creator Pro 3D 打印机进行打印。当CB/PLA采用3D打印技术时，由于复合特性，所得电极往往具有较高的接触电阻。这限制了它们的导电性能，并影响了电化学传感性能。
增强这些电极性能的一种常见方法是在表面沉积金纳米粒子。金纳米粒子以其优异的导电性、生物相容性以及与生物分子结合的能力而闻名。然而，这些电极表面特征的形状和大小如何影响金的沉积和最终的传感结果仍不清楚。
△不同尺寸的图案化 3D 打印 CB/PLA 电极的设计和图像。图片来自布莱顿大学。
几何形状影响纳米颗粒的扩散和传感能力
为了探究这一点，研究人员打印了六种不同的电极设计，每种电极的表面图案各不相同：滚花、旋转或直线，尺寸大小分别为小尺寸（0.8 毫米）和大尺寸（1.6 毫米）。然后，他们利用电沉积技术将金纳米颗粒涂覆到这些电极表面。电沉积技术利用电流将溶液中的金涂覆到电极表面。
每个设计都使用多种工具进行仔细分析，包括通过扫描电子显微镜观察金的分布、通过接触角测量评估表面润湿性以及通过电化学测试评估传感性能。
研究表明，电极表面的图案和尺寸对金纳米粒子在表面的沉积方式起着决定性的作用。尤其是大尺寸的滚花图案，能够促进金纳米粒子沿脊线和边缘的密集沉积，从而提升传感测试的性能。
与此同时，较小尺寸的旋转图案和直线图案使金的分布更均匀，但厚度也更薄。有趣的是，在某些设计中，一旦金沉积下来，这些较小尺寸的图案最终会比较大的图案表现更好。结果表明，更平坦的表面可能提供更均匀的覆盖，具体取决于图案的几何形状。
接触角测量进一步证实了这些趋势。金沉积后，大多数电极表面的亲水性增强，在某些情况下接触角显著下降，这种变化通常会增强电化学活性。电化学阻抗谱证实了这种性能转变，显示图案化电极间的电荷转移阻力显著降低，表明导电性有所提高。
为了了解这在实际环境中的表现，研究人员测试了他们性能最佳的设计——大型滚花电极，以检测亚硝酸盐的能力，亚硝酸盐是一种与肠道相关的化合物，在消化过程中发挥作用，可以指示炎症或疾病。
使用两种不同年龄小鼠的粪便样本，传感器成功检测到24月龄小鼠粪便样本中的亚硝酸盐含量显著低于12月龄小鼠（p < 0.05），这与已知的年龄相关一氧化氮生成下降趋势相一致。这项真实世界的验证不仅凸显了3D打印电极技术的成功，也彰显了健康监测领域应用的潜力。
综上所述，研究结果表明，精心设计电极表面特征可以精确控制金纳米颗粒的沉积，从而直接提升传感器的灵敏度和可靠性。此外，利用便捷且经济实惠的3D打印方法，还可以定制特定用途的传感器。
△图案化CB/PLA电极表面的接触角测量。图片来自布莱顿大学。
用于传感设备的3D打印电极
3D 打印技术的进步使得生产用于传感器应用的高精度电极变得越来越简单。
早在 2021 年，麻省理工学院(MIT)的研究人员就开发了一种新方法，使用嵌入电容式感应电极的单片超材料 3D 打印交互式物体。设计采用柔性单元网格以及导电剪切单元，通过改变导电壁之间的距离来响应物理变形，从而使物理结构能够检测力、运动和旋转。
为了简化设计，团队引入了 MetaSense，这是一款定制的 CAD 工具，可以模拟变形并自动优化传感器位置。这种方法实现了定制输入设备的快速原型设计，并为智能环境（例如姿势感应家具）开辟了可能性。
此外，南洋理工大学、布拉格化工大学和沙特国王大学的研究人员设计了 3D 打印石墨烯/PLA 电极，用于检测食品中的霉菌毒素玉米赤霉烯酮 (ZEA)。
电极在Autodesk Fusion 360中建模，使用 FDM 在Prusa i3 MK3上打印，并用 DMF 进行化学预处理，以露出导电石墨烯层。与标准 Ag/AgCl 电极相比，活化的石墨烯传感器在 10 至 300 µM 的 ZEA 浓度范围内表现出良好的线性响应 (r = 0.995)。研究团队展示了一种可行的低成本 3D 打印电化学食品安全装置概念验证。
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