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西北大學(xué):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(cè)

傳感器專家網(wǎng) ? 來(lái)源:網(wǎng)易之家 ? 作者:網(wǎng)易之家 ? 2025-02-28 17:57 ? 次閱讀
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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(cè)多巴胺(DA)和尿酸(UA),且經(jīng)彎折、摩擦、水洗及長(zhǎng)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(zhǎng),可穿戴電化學(xué)傳感器憑借便攜性、非侵入性等優(yōu)勢(shì),成為生理信息監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)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(rùn)濕性差異,實(shí)現(xiàn)尿液定向傳輸,徹底阻斷回流。基于HMJ-FT構(gòu)建的HMJ-Sensor可同步精準(zhǔn)檢測(cè)多巴胺DA和UA,檢測(cè)限分別低至10.0770 nM和1.4100 nM,檢測(cè)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(cè)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

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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(wú)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(wú)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。

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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。

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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(cè)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(cè)試;(f) HMJ - FT疏水側(cè)洗滌后的接觸角;(g) HMJ - FT細(xì)胞毒性測(cè)試的熒光圖像。

üHMJ - Sensor傳感器電極的表征及其電化學(xué)性能

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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 。

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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(cè)濃度范圍和檢測(cè)限(LOD)對(duì)比;(f) 在相同測(cè)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(cè)DA的重現(xiàn)性進(jìn)行的安培法測(cè)試;(g) 對(duì)PS/CB/CFT檢測(cè)UA重現(xiàn)性的安培法測(cè)試;(h) (i) HMJ傳感器對(duì)10 μM DA和10 μM UA的抗干擾測(cè)試,測(cè)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

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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(cè)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(cè)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(cè)試;(f) 對(duì)UA進(jìn)行的耐久性測(cè)試;(g) 三個(gè)相同的HMJ傳感器在10 μM DA和UA中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)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(zhǎng)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(cè)尿液中的關(guān)鍵成分,為健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè),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

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