保持良好的水合狀態，即維持體內水分平衡，對維系人體健康和正常功能至關重要。皮膚可貼合微流控技術，其獨特的體表汗液收集和即時分析能力，使得人體水合狀態和各種生理指標的無創監測成為可能。然而，當前非電學微流控技術的局限性在于：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，湘潭大學材料科學與工程學院王秀鋒教授團隊開發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）。它包括兩個獨立的系統，分別由蛇形微流通道、儲液腔、花瓣狀爆破閥和發熱腔等組成。器件由醫用雙面膠和PDMS（聚二甲基硅氧烷）精心堆疊和組裝而成，其多層結構具有高集成度和易擴展的優點。它能多次自發地對體表皮膚進行熱刺激。經表面改性后的PDMS，不僅具有優良的生物相容性，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，還實現了熱激活閾值的可調節性。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計（圖4），當汗液收集量達到預設的提醒閾值時，爆破閥會自動打開，使儲液腔中的汗液一次性與發熱腔中的發熱物反應，從而觸發熱提醒。該技術成功突破了現有非電學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，發現局部汗液流失量與全身出汗量之間存在顯著的相關性（圖5）。該器件能在用戶達到臨界脫水閾值（即個人體重損失率達到2%）之前，有效提醒用戶補水，從而避免潛在的過度失水風險。該器件不僅能準確提供出汗量和出汗率的分析，還能及時提醒用戶補水，對于監測人體水合狀態和實現個性化補水管理具有現實意義。該工作以“Skin-interfaced microfluidic sweat collection devices for personalized hydration management through thermal feedback”為題發表在《Lab on a Chip》2024, 24(2): 356-366上，湘潭大學碩士生楊漢林為該論文第一作者，湖南省兒童醫院段效軍主任和湘潭大學陳尚達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警功能的微流控示意圖；(b)貼合于前臂的器件光學圖片；(c)器件子層的爆炸視圖；(d)彎曲和扭轉變形下器件的光學圖片。
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圖像：(i) - (iii) 20 min，(iv) - (vi) 30 min；(e)不同封裝層器件的彎曲應力曲線；(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圖片；(c)不同層數的微流通道的極限強度。
圖4 花瓣狀爆破閥的設計和性能測試。(a)花瓣狀爆破閥設計示意圖；(b)爆破閥對微流通道內液體流動影響；(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損失率之間的關聯；(d)器件貼合在背部時汗液收集過程的光學照片，及對應的熱提醒時最高溫度紅外成像。
此工作是該團隊近期關于皮膚可貼合微流控與傳感器件的最新進展之一。皮膚貼合類汗液微流控芯片已在健康監測和疾病診斷領域展露頭角，即時分析需要該類器件具有含時機構，而體表可貼合則需要穩定的力學結構。近年來，該團隊在可穿戴微流控器件制備與力學設計方面做了一系列工作。如發展了雙流體紙基微流控汗液分析技術(Adv. Sci., 2024, 11:2306023)，用于出汗皮膚的LDH-Janus貼片(Adv. Fun. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202416129)和疏水閥結合單開口腔室的延時收集技術(Lab Chip 2020, 20:2635)。制備了體熱與皮膚屏障監測的隱汗傳感器(ACS nano 2023, 17:5588)、超疏水壓力/應變傳感器等(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構中的自塌頂行為(Int. J. Solids Struct. 2024, 292:112714; Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增強儲液腔結構穩定性理論模型(Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。結合凸優化算法，提出了任意形狀腔體自塌陷的普適理論(Inter. J. Solids Struct. 2022, 252:111821)。建立了適應于可穿戴器件的橫觀層狀結構模型(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測與能源器件中的應用(Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，提出了汗液微流控閉環系統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、物理等專業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.
