可穿戴的生物電子能夠隨形地、實(shí)時(shí)地檢測(cè)人體健康狀況,受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。特別是近年來(lái),可穿戴汗液傳感器的興起,使得無(wú)創(chuàng)地追蹤各種生理指標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)。但是,在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中,傳感器下方積累的汗液會(huì)極大地影響設(shè)備濕熱舒適性。因此,如何改善用戶的穿戴體感,同時(shí)保證優(yōu)異的傳感性能成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。
基于上述背景,深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部許太林和張學(xué)記教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化傳感器的表面浸潤(rùn)性來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。該團(tuán)隊(duì)選取具有良好的生物相容性和優(yōu)異力學(xué)性能的天然蠶絲織物作為整個(gè)傳感器的核心材料,利用低表面能的十八烷基三氯硅烷(OTS)和蠶絲織物上絲素蛋白(Fibroin)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng),制備了超疏水的蠶絲基底。隨后,只對(duì)疏水蠶絲織物的一側(cè)進(jìn)行等離子體(Plasma)處理,形成類似荷葉的一面疏水一面親水結(jié)構(gòu),即Janus 蠶絲織物(Janus silk textile)。因其正反兩側(cè)極端的表面能差異,這種Janus silk具有單向輸水特性,可將水分從疏水側(cè)泵送至親水側(cè),反之則不行。
圖 1 Janus silk textile的表征和單向輸水特性
研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用這種單向輸水性質(zhì)為表皮營(yíng)造了良好的濕熱舒適性:相較于傳統(tǒng)織物,Janus silk textile將汗液更充分地從皮膚側(cè)(疏水側(cè))排至環(huán)境側(cè)(親水側(cè)),消除了汗液在皮膚上的滯粘,營(yíng)造了干爽的穿戴體感。在人體出汗階段,汗液不斷地排出并蒸發(fā),帶走熱量;人體停止出汗后,干燥的疏水一側(cè)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),保存熱量以避免體表過(guò)冷和個(gè)體著涼。
圖 2 Janus silk textile用于皮膚濕熱管理
作者進(jìn)一步將市售的導(dǎo)電碳漿涂覆在經(jīng)六氟異丙醇(HFIP)處理的蠶絲紗線表面,制成汗液傳感電極并編織在Janus silk textile親水一側(cè),得到Janus 蠶絲基的電子織物(Janus silk E-textile)。因其單向輸水的特性,Janus silk E-textile能將微量的電解質(zhì)溶液(5 μL)更集中運(yùn)送至親水側(cè)(電極側(cè)),顯著地降低了產(chǎn)生穩(wěn)定電信號(hào)所需的溶液體積閾值。人體實(shí)驗(yàn)表明,這種Janus silk E-textile電極側(cè)的汗液累積速度更快,傳感器的響應(yīng)時(shí)間也更短。
圖 3 Janus silk E-textile用于高效汗液檢測(cè)
這一成果近期發(fā)表在Nano Letters 上(X. He, C. Fan, T. Xu,* X. Zhang*, Biospired Janus Silk E-Textiles with Wet-Thermal Comfort for Highly Efficient Biofluid Monitoring. Nano Lett. 2021, 10.1021/acs.nanolett.1c03426.)。論文的第一作者是北京科技大學(xué)和深圳大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生何學(xué)成,通訊作者是深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部許太林副教授和張學(xué)記教授,深圳大學(xué)為第一通訊單位。
論文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.1c03426
下載:Biospired Janus Silk E-Textiles with Wet-Thermal Comfort for Highly Efficient Biofluid Monitoring
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