研究六邊形微腔通道 Janus 織物傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)生理監(jiān)測

西北大學(xué)張欣、楊逢春團(tuán)隊(duì)與西安建筑科技大學(xué)于莎教授合作，基于仿生攀巖魚皮膚的六邊形微結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出Janus織物（HMJ-FT），并成功構(gòu)建可穿戴電化學(xué)傳感器（HMJ-Sensor）。該傳感器通過六邊形微腔與垂直Janus通道協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)尿液高效定向傳輸，同時(shí)精準(zhǔn)檢測多巴胺（DA）和尿酸（UA），且經(jīng)彎折、摩擦、水洗及長期存儲(chǔ)后性能穩(wěn)定。 背景介紹 隨著醫(yī)療保健需求的增長，可穿戴電化學(xué)傳感器憑借便攜性、非侵入性等優(yōu)勢，成為生理信息監(jiān)測的重要工具。尿液蘊(yùn)含多DA和UA等關(guān)鍵生理指標(biāo)，對(duì)神經(jīng)疾病、痛風(fēng)及腎臟問題的早期診斷至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有傳感器因液體積聚和回流問題，導(dǎo)致檢測精度低且穩(wěn)定性不足，限制了實(shí)際應(yīng)用。Janus結(jié)構(gòu)因利用表面能梯度或拉普拉斯壓力梯度實(shí)現(xiàn)無外能驅(qū)動(dòng)的液體自傳輸而廣受關(guān)注。另外，為有效解決接觸界面液體積聚問題，液體的水平遷移同樣關(guān)鍵。水平遷移與垂直傳輸?shù)慕Y(jié)合可調(diào)整液體運(yùn)動(dòng)軌跡和方向，優(yōu)化其沿路徑的分布，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控。因此，本研究受攀巖魚皮膚微六邊形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開發(fā)HMJ-FT。該織物通過疏水側(cè)六邊形微腔實(shí)現(xiàn)液體水平遷移，結(jié)合垂直Janus通道的潤濕性差異，實(shí)現(xiàn)尿液定向傳輸，徹底阻斷回流?；贖MJ-FT構(gòu)建的HMJ-Sensor可同步精準(zhǔn)檢測多巴胺DA和UA，檢測限分別低至10.0770 nM和1.4100 nM，檢測范圍覆蓋0.0360–4000 μM DA和0.0050–6000 μM UA。傳感器經(jīng)120天存儲(chǔ)存及多次彎折、摩擦、清洗后性能穩(wěn)定，兼具優(yōu)異生物相容性，為可穿戴醫(yī)療設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測與臨床應(yīng)用提供了新的解決方案。 圖文解析 üHMJ - FT的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其液體單向運(yùn)輸性能 圖1. HMJ - FT的組成與表征。(a) 面巾（FT）纖維上的疏水化處理過程以及疏水涂層的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；(b) 表面形態(tài)。(I) 疏水表面和親水表面的數(shù)碼照片；(II - IV) 疏水側(cè)和親水側(cè)不同區(qū)域的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c) HMJ - FT（I）、無六邊形微腔（No-HM）區(qū)域（II）和六邊形微腔（HM）區(qū)域（III）的橫截面SEM圖像；(d) 傅里葉變換紅外光譜（FT - IR），用于研究疏水化處理的影響；(e) 無HM區(qū)域和HM區(qū)域的接觸角圖像；(f) 接觸角隨作用時(shí)間的變化情況。 圖2. 六邊形微腔（HM）的結(jié)構(gòu)與效果。(a) 攀巖魚表面的六邊形微腔結(jié)構(gòu)；(b) 六邊形微腔的液體收集過程；(c) 不同圖案區(qū)域的液滴擴(kuò)散速率和集水效率；(d) HMJ - FT與Janus - FT的液體傳輸性能比較；(e) 液滴在HMJ - FT表面隨時(shí)間的擴(kuò)散過程，分別從俯視圖和仰視圖角度拍攝；(f) 不同六邊形微腔間距下的突破壓力；(g) 水蒸發(fā)速率，(h) 不同六邊形微腔間距下的水汽透過率（WVTR）和透氣性。 圖3. HMJ - FT的實(shí)際應(yīng)用性能。(a) 液滴在疏水側(cè)和親水側(cè)的單向傳輸機(jī)制；(b) HMJ - FT和Janus - FT在皮膚表面?zhèn)鬏斝阅艿臄?shù)碼圖像；(c) 接觸角隨摩擦循環(huán)次數(shù)的變化。插圖展示了單次摩擦測試循環(huán)的過程；(d) 400次摩擦循環(huán)后的接觸角圖像；(e) 不同變形狀態(tài)下的耐久性測試；(f) HMJ - FT疏水側(cè)洗滌后的接觸角；(g) HMJ - FT細(xì)胞毒性測試的熒光圖像。 üHMJ - Sensor傳感器電極的表征及其電化學(xué)性能 圖4. PS/CB/CFT的合成與表征。(a) PS/CB/CFT制備的示意圖；(b) FT的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c) 碳化面巾（CFT）的SEM圖像；(d) CB/CFT的SEM圖像；(e) PS/CB/CFT的SEM圖像，以及它們的 (f) X射線衍射（XRD）圖譜；(g) 傅里葉變換紅外光譜（FT - IR）；(h) 電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）和雙電層電容（Cdl）值 。 圖5. HMJ傳感器的電化學(xué)性能。(a) HMJ傳感器的結(jié)構(gòu)；(b) （I）CFT、CB/CFT、PS/CFT和PS/CB/CFT在100 μM DA和UA中的差分脈沖伏安法（DPV）曲線；HMJ傳感器在（II）DA或（III）UA濃度變化而另一種化學(xué)物質(zhì)濃度保持恒定情況下的DPV曲線；(c) HMJ傳感器在0.1M磷酸鹽緩沖液（PB，pH = 6.0）中，在0.25V和0.4V電位下，對(duì)不同濃度DA的電流響應(yīng)；(d) 對(duì)不同濃度UA的電流響應(yīng)；(e) HMJ傳感器與其他可穿戴傳感器電極材料的檢測濃度范圍和檢測限（LOD）對(duì)比；(f) 在相同測試條件下，使用三個(gè)相同電極，對(duì)PS/CB/CFT在0.1M PB中檢測DA的重現(xiàn)性進(jìn)行的安培法測試；(g) 對(duì)PS/CB/CFT檢測UA重現(xiàn)性的安培法測試；(h) (i) HMJ傳感器對(duì)10 μM DA和10 μM UA的抗干擾測試，測試中加入了100μM可能存在干擾的物質(zhì)。 ü可穿戴式HMJ - Sensor的耐用性與穿戴舒適性 圖6. HMJ傳感器的實(shí)際性能表征。(a) 集成傳感系統(tǒng)的組件。插圖展示了基于電路板的尿液檢測系統(tǒng)框架圖；(b) 用于分析的HMJ傳感器的數(shù)碼圖像；(c) 在彎曲和扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，對(duì)多巴胺（DA）和尿酸（UA）進(jìn)行的耐久性測試；(d) 在環(huán)境溫度為28 ℃的戶外記錄的，HMJ傳感器和其他薄膜在皮膚上的溫度分布紅外熱像圖；(e) 在不同洗滌條件下對(duì)DA進(jìn)行的耐久性測試；(f) 對(duì)UA進(jìn)行的耐久性測試；(g) 三個(gè)相同的HMJ傳感器在10 μM DA和UA中的長期穩(wěn)定性測試。 總結(jié)與展望 本研究巧妙運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)理念，成功解決了可穿戴尿液傳感器長期面臨的液體管理難題。由此誕生的HMJ-Sensor傳感器，在靈敏度、穩(wěn)定性以及舒適性方面均表現(xiàn)卓越。其高靈敏度能夠精準(zhǔn)檢測尿液中的關(guān)鍵成分，為健康監(jiān)測提供精確數(shù)據(jù)；出色的穩(wěn)定性確保了在各種復(fù)雜使用環(huán)境下，檢測結(jié)果依然可靠；而良好的舒適性則極大提升了用戶佩戴體驗(yàn)，讓長期監(jiān)測變得輕松便捷。 展望后續(xù)研究，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步提升傳感器的集成度，使設(shè)備功能更加豐富多樣。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還將積極探索HMJ-Sensor在腎病、痛風(fēng)等疾病居家監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。通過實(shí)現(xiàn)對(duì)這些疾病相關(guān)指標(biāo)的實(shí)時(shí)、持續(xù)監(jiān)測，助力患者更有效地管理自身健康。 文獻(xiàn)詳情： A Janus Fabric with Hexagonal Microcavity Channels for Efficient Urine Transport and Accurate Physiological Monitoring Shijuan Song，Wenhao Zhou，Xinyue Wei，Huijun Zhao，Dan Hu，Jiaqing Liu，Xin Zhang*，Sha Yu*，F(xiàn)engchun Yang* ACS Sens.2025 https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03362 審核編輯 黃宇