保持良好的水合狀態(tài)，即維持體內(nèi)水分平衡，對維系人體健康和正常功能至關(guān)重要。皮膚可貼合微流控技術(shù)，其獨(dú)特的體表汗液收集和即時分析能力，使得人體水合狀態(tài)和各種生理指標(biāo)的無創(chuàng)監(jiān)測成為可能。然而，當(dāng)前非電學(xué)微流控技術(shù)的局限性在于：它需要用戶的主動觀察，以獲取生理信息或追蹤異常情況。如何賦予這些器件自動反饋的能力，使其能在生理異常時自動提醒用戶，仍然是一個待解決的問題。
基于此，湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王秀鋒教授團(tuán)隊開發(fā)了一種具備汗液收集和自反饋功能的皮膚可貼合微流控器件（圖1）。它包括兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，分別由蛇形微流通道、儲液腔、花瓣狀爆破閥和發(fā)熱腔等組成。器件由醫(yī)用雙面膠和PDMS（聚二甲基硅氧烷）精心堆疊和組裝而成，其多層結(jié)構(gòu)具有高集成度和易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。它能多次自發(fā)地對體表皮膚進(jìn)行熱刺激。經(jīng)表面改性后的PDMS，不僅具有優(yōu)良的生物相容性，還顯著提高了器件的密封性，從而確保了汗液收集和儲存的長效性（圖2）。器件制備采用了“CAD-to-3D”制造與集成策略，這不僅簡化了器件的組裝過程，還實(shí)現(xiàn)了熱激活閾值的可調(diào)節(jié)性。該方法可以針對不同體表部位的出汗率差異，提供個性化的熱感知反饋（圖3）。器件的核心在于其新型爆破閥的設(shè)計（圖4），當(dāng)汗液收集量達(dá)到預(yù)設(shè)的提醒閾值時，爆破閥會自動打開，使儲液腔中的汗液一次性與發(fā)熱腔中的發(fā)熱物反應(yīng)，從而觸發(fā)熱提醒。該技術(shù)成功突破了現(xiàn)有非電學(xué)汗液微流控器件在自動反饋方面的限制。通過不同受試者的體表試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)局部汗液流失量與全身出汗量之間存在顯著的相關(guān)性（圖5）。該器件能在用戶達(dá)到臨界脫水閾值（即個人體重?fù)p失率達(dá)到2%）之前，有效提醒用戶補(bǔ)水，從而避免潛在的過度失水風(fēng)險。該器件不僅能準(zhǔn)確提供出汗量和出汗率的分析，還能及時提醒用戶補(bǔ)水，對于監(jiān)測人體水合狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)個性化補(bǔ)水管理具有現(xiàn)實(shí)意義。該工作以“Skin-interfaced microfluidic sweat collection devices for personalized hydration management through thermal feedback”為題發(fā)表在《Lab on a Chip》2024, 24(2): 356-366上，湘潭大學(xué)碩士生楊漢林為該論文第一作者，湖南省兒童醫(yī)院段效軍主任和湘潭大學(xué)陳尚達(dá)老師為論文共同作者，王秀鋒教授為論文通訊作者。
圖1 用于個性化水合管理的皮膚可貼合微流控器件。(a)具有出汗量記錄和過量預(yù)警功能的微流控示意圖；(b)貼合于前臂的器件光學(xué)圖片；(c)器件子層的爆炸視圖；(d)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形下器件的光學(xué)圖片。
圖2 PDMS的表面改性與表征。(a)UV/O處理示意圖；(b)不同UV/O處理下PDMS表面接觸角與時間的關(guān)系；(c)不同UV/O處理的PDMS與雙面膠帶剝離時力-位移曲線；(d)不同UV/O處理的PDMS薄膜彎曲前后的光學(xué)圖像：(i) - (iii) 20 min，(iv) - (vi) 30 min；(e)不同封裝層器件的彎曲應(yīng)力曲線；(f)不同UV/O處理下PDMS薄膜的密封性測試。
圖3 微流控器件的容量定制。(a)微流通道組裝示意圖以及單層微流通道的橫截面光學(xué)圖片；(b)容量定制的器件中液樣流動前沿在收集過程中的光學(xué)圖片；(c)不同層數(shù)的微流通道的極限強(qiáng)度。
圖4 花瓣狀爆破閥的設(shè)計和性能測試。(a)花瓣狀爆破閥設(shè)計示意圖；(b)爆破閥對微流通道內(nèi)液體流動影響；(c)有無爆破閥的器件溫度曲線比較；(d)不同花瓣數(shù)下的閥門爆破壓測試；(e)不同爆破閥的溫度曲線及其最高溫度紅外圖像；(f) NP=6的爆破閥在不同汗液流速下的最高發(fā)熱溫度。
圖5 微流控器件的原位體表測試。(a)受試者體表的器件照片；(b)受試者1和(c)受試者2的局部出汗量與個體體重?fù)p失率之間的關(guān)聯(lián)；(d)器件貼合在背部時汗液收集過程的光學(xué)照片，及對應(yīng)的熱提醒時最高溫度紅外成像。
此工作是該團(tuán)隊近期關(guān)于皮膚可貼合微流控與傳感器件的最新進(jìn)展之一。皮膚貼合類汗液微流控芯片已在健康監(jiān)測和疾病診斷領(lǐng)域展露頭角，即時分析需要該類器件具有含時機(jī)構(gòu)，而體表可貼合則需要穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)。近年來，該團(tuán)隊在可穿戴微流控器件制備與力學(xué)設(shè)計方面做了一系列工作。如發(fā)展了雙流體紙基微流控汗液分析技術(shù)(Adv. Sci., 2024, 11:2306023)，用于出汗皮膚的LDH-Janus貼片(Adv. Fun. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202416129)和疏水閥結(jié)合單開口腔室的延時收集技術(shù)(Lab Chip 2020, 20:2635)。制備了體熱與皮膚屏障監(jiān)測的隱汗傳感器(ACS nano 2023, 17:5588)、超疏水壓力/應(yīng)變傳感器等(Chem. Eng. J. 2024, 488:150796；Chem. Eng. J. 2022, 432:134370；ACS AMI 2023, 15:38562)；利用板殼理論和能量法分析了微流控結(jié)構(gòu)中的自塌頂行為(Int. J. Solids Struct. 2024, 292:112714; Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增強(qiáng)儲液腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論模型(Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。結(jié)合凸優(yōu)化算法，提出了任意形狀腔體自塌陷的普適理論(Inter. J. Solids Struct. 2022, 252:111821)。建立了適應(yīng)于可穿戴器件的橫觀層狀結(jié)構(gòu)模型(Extreme Mech. Lett. 2023, 63:102046；Sci. China-Technol. Sci. 2023, 66:223)。此外，綜述了表面潤濕性在可穿戴健康監(jiān)測與能源器件中的應(yīng)用(Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，提出了汗液微流控閉環(huán)系統(tǒng)在時間采樣和自反饋方面的潛在策略(npj Flex. Electron. 2023, 7:43)。長期歡迎材料、力學(xué)、物理等專業(yè)的博士和碩士研究生報考！
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/lc/d3lc00791j
H. Yang, H. Ding, W. Wei, X. Li, X. Duan, C Zhuang, W Liu, S.D. Chen, X.F. Wang, Skin-interfaced microfluidic sweat collection devices for personalized hydration management through thermal feedback, Lab on a Chip, 2024, 24:356-366.
