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導(dǎo)     語

排汗不僅在體溫調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵作用，而且在反映機體內(nèi)部狀態(tài)和對外界刺激的反應(yīng)中也起著關(guān)鍵作用。最新的基于皮膚的可穿戴平臺促進了汗液的監(jiān)測和同步分析，提供了有價值的生理見解。

與傳統(tǒng)的被動出汗不同，在各種活動和休息期間發(fā)生的動態(tài)正常出汗需要一種更可靠的收集方法來準確捕獲其實時波動。本文介紹了一種創(chuàng)新的微流控貼片，該貼片采用分層超親水性生物海綿，可顯著提高動態(tài)汗液的捕獲效率。無縫集成的生物海綿微通道展示了卓越的吸收能力，有效地捕獲從皮膚表面滲出的非敏感汗液，減輕樣品損失并最大限度地減少汗液揮發(fā)。此外，它結(jié)合了出汗率傳感器和一套功能性電化學(xué)傳感器，可以在各種活動、應(yīng)激事件、高能量攝入和其他情況下不間斷地監(jiān)測和分析動態(tài)出汗。

1、研究背景

與血液和間質(zhì)液相比，內(nèi)分泌汗腺無處不在地分布在皮膚上。在接近或靜止的體溫調(diào)節(jié)期間，內(nèi)分泌腺發(fā)出的習(xí)慣性汗液以極其緩慢的分泌速度發(fā)生，蒸發(fā)和潛在污染現(xiàn)象也給連續(xù)監(jiān)測帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因此持續(xù)的無感汗液監(jiān)測和分析是關(guān)鍵的。自然中控制植物維管網(wǎng)內(nèi)液體和重要營養(yǎng)物質(zhì)輸送的復(fù)雜機制帶來了啟發(fā)，這些有序的多孔骨架具有超親水特性，可在幾微秒內(nèi)快速吸收和分散液體，用來彌合不間斷的不顯性汗液收集的差距。

2、研究概述

本研究采用了一種具有微納米級纖維結(jié)構(gòu)的互連分層生物聚合物基海綿來增強可穿戴貼片，用于快速采樣天然汗液，特別是對于不敏感的類型，并最終實現(xiàn)目標生物標志物的連續(xù)監(jiān)測和輕松測量分泌率。而柔性多孔基板已被廣泛用于增強高性能電子產(chǎn)品的制造，例如電子皮膚、納米發(fā)電機和植入式醫(yī)療基板。這種設(shè)計可以分為以下幾個部分。

首先是表皮可穿戴貼片的設(shè)計。低模量生物相容性聚二甲基硅氧烷 （PDMS），其設(shè)計的幾何特征定義了上部微流控層和承載下電極層。操縱標準的軟光刻方法在微流體層上生成蚊香形狀的幾何特征，從而可以有效地收獲≈2000納升的汗液。微流體層還包含一個特定的圓形區(qū)域，直徑為 2.5 毫米，厚度為 ≈100 μm，用作入口，與皮膚上的內(nèi)分泌腺直接接觸。電極電路無縫綁定到底部PDMS層和各種類型的電路上，用于集成功能化電化學(xué)傳感器。專注于快速吸收不同量汗液的多功能生物海綿層是研究的關(guān)鍵組成部分。最終的緊湊型可穿戴貼片用醫(yī)用級繃帶密封，確保牢固地附著在受試者身體的任何部位，從汗液分泌量高的區(qū)域到活動量最小的區(qū)域，這可實現(xiàn)在不干擾受試者日常活動的情況下進行持續(xù)監(jiān)測。

柔性表皮可穿戴貼片的組成（圖片來自論文）

研究設(shè)計了一種超親水的分層生物海綿，如圖1c所示，其特征是對水具有異常強大的親和力。這種創(chuàng)新設(shè)計旨在克服與收集和保留汗液相關(guān)的挑戰(zhàn)，包括耗時的過程、污染風(fēng)險、高流速、苛刻的體積要求和液壓損失不足等問題。同時摻入了從真菌細胞壁中提取的改良羧甲基纖維樣脫乙?；z體幾丁質(zhì)（CFDM-Chitin），以增強原始生物海綿的性能，并作為結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料來強化骨架網(wǎng)絡(luò)。

其次，研究者進行了反重力泵送和自發(fā)積液設(shè)計。他們合成了一種受木質(zhì)部結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生生物海綿。這種生物海綿擁有更堅固的骨架和分層結(jié)構(gòu)，當超親水表面的下部與液面接觸時，毛細管壓力和液體粘附的結(jié)合促使液體滲入超親水結(jié)構(gòu)，擴散到整個結(jié)構(gòu)中。這會產(chǎn)生向上的液體攀升，產(chǎn)生“反重力”自泵現(xiàn)象。這個過程允許液體在重力作用下上升相當長的距離（圖2a VIII）。在這種開放結(jié)構(gòu)中，液體沿的毛細血管的上升分不同階段展開：快速填充（圖2a I-IV），潤濕攀升（圖2a IV-VI）和最終平衡（圖2a VI-VIII）。在初始階段，液體的表面張力導(dǎo)致向上毛細管力，壓倒了其他促成因素，從而主導(dǎo)了上升。當液體達到一定高度時，重力的影響逐漸變得更加明顯，導(dǎo)致液體泵送過程減速。在這一點上，沿垂直壁的粘附力起著關(guān)鍵作用，由于超親水界面固有的潤濕性，促進液體泵送的最后階段，最終達到偽平衡階段。

人造長條生物海綿（圖片來自論文）

最后，研究者設(shè)計了微流控貼片的體溫調(diào)節(jié)汗液收集裝置。根據(jù) Poiseuille 的流動理論，在特定的幾何形狀中，更長的流路需要更大的流體阻力，可能會阻礙汗液持續(xù)進入微通道。為了克服這些挑戰(zhàn)并在受限的尺寸內(nèi)實現(xiàn)快速、不間斷的汗液收集，在微通道中引入了超親水生物海綿（圖3b）。這種創(chuàng)新方法有效地解決了與液壓阻力和損耗相關(guān)的挑戰(zhàn)，提高了系統(tǒng)的整體效率。

微流控貼片的體溫調(diào)節(jié)汗液收集裝置（圖片來自論文）

3、研究意義

這種新型可穿戴貼片具有生物海綿微流控裝置，專門設(shè)計用于增強表皮液采樣，即使是微量的。其卓越的超親水特性可實現(xiàn)近乎實時的汗液速率采樣。這種能力不僅善于捕捉由外部刺激引起的敏感汗液;它還善于捕捉內(nèi)分泌腺分泌的微小不顯性汗液，這是以前研究中很少探索的領(lǐng)域。初步身體測試探索了現(xiàn)實生活中出汗場景與其對代謝反應(yīng)和外部刺激的協(xié)同或抵消作用之間的潛在相關(guān)性。這一進展將加深對分析物分泌機制的理解，并為可靠測量濃度的解釋提供指導(dǎo)。此外，物理傳感器的結(jié)合增強了貼片的功能，可以同時監(jiān)測皮膚和汗液溫度以及汗液成分分析。該集成系統(tǒng)還適合與人工智能驅(qū)動的信號處理相結(jié)合，使可穿戴貼片能夠無縫適應(yīng)各種個性化健康監(jiān)測要求。因此，它為全面和量身定制的健康評估提供了新的機會，可用于滿足各種個人日常健康監(jiān)測需求，標志著個性化健康技術(shù)向前邁出了重要一步。

未來計劃通過在可拉伸基板上集成可擴展的柔性電子元件和量身定制的生物標志物傳感器組合來發(fā)展貼片。

文章來源：Hanlin Ding, Hao Yang, et al. "Nature-Inspired Superhydrophilic Biosponge as Structural Beneficial Platform for Sweating Analysis Patch." Advanced Science (2024): 24001947.