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第一作者：宋世娟、周文浩（共同一作）

通訊作者：張欣、于莎、楊逢春

通訊單位：西北大學、西安建筑科技大學

西北大學張欣、楊逢春團隊與西安建筑科技大學于莎教授合作，基于仿生攀巖魚皮膚的六邊形微結構，創(chuàng)新設計出Janus織物（HMJ-FT），并成功構建可穿戴電化學傳感器（HMJ-Sensor）。該傳感器通過六邊形微腔與垂直Janus通道協(xié)同作用，實現(xiàn)尿液高效定向傳輸，同時精準檢測多巴胺（DA）和尿酸（UA），且經(jīng)彎折、摩擦、水洗及長期存儲后性能穩(wěn)定。

隨著醫(yī)療保健需求的增長，可穿戴電化學傳感器憑借便攜性、非侵入性等優(yōu)勢，成為生理信息監(jiān)測的重要工具。尿液蘊含多DA和UA等關鍵生理指標，對神經(jīng)疾病、痛風及腎臟問題的早期診斷至關重要。然而，現(xiàn)有傳感器因液體積聚和回流問題，導致檢測精度低且穩(wěn)定性不足，限制了實際應用。Janus結構因利用表面能梯度或拉普拉斯壓力梯度實現(xiàn)無外能驅動的液體自傳輸而廣受關注。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鍵。水平遷移與垂直傳輸?shù)慕Y合可調整液體運動軌跡和方向，優(yōu)化其沿路徑的分布，從而實現(xiàn)精準操控。因此，本研究受攀巖魚皮膚微六邊形結構啟發(fā)，開發(fā)HMJ-FT。該織物通過疏水側六邊形微腔實現(xiàn)液體水平遷移，結合垂直Janus通道的潤濕性差異，實現(xiàn)尿液定向傳輸，徹底阻斷回流。基于HMJ-FT構建的HMJ-Sensor可同步精準檢測多巴胺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)療設備的實時監(jiān)測與臨床應用提供了新的解決方案。

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構細節(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) 疏水側和親水側不同區(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) 接觸角隨作用時間的變化情況。

圖2. 六邊形微腔（HM）的結構與效果。(a) 攀巖魚表面的六邊形微腔結構；(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表面隨時間的擴散過程，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的實際應用性能。(a) 液滴在疏水側和親水側的單向傳輸機制；(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疏水側洗滌后的接觸角；(g) HMJ - FT細胞毒性測試的熒光圖像。

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) 電荷轉移電阻（R_ct）和雙電層電容（C_dl）值 。

圖5. HMJ傳感器的電化學性能。(a) HMJ傳感器的結構；(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物質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，對不同濃度DA的電流響應；(d) 對不同濃度UA的電流響應；(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）對比；(f) 在相同測試條件下，使用三個相同電極，對PS/CB/CFT在0.1M PB中檢測DA的重現(xiàn)性進行的安培法測試；(g) 對PS/CB/CFT檢測UA重現(xiàn)性的安培法測試；(h) (i) HMJ傳感器對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。

圖6. HMJ傳感器的實際性能表征。(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) 在彎曲和扭轉狀態(tài)下，對多巴胺（DA）和尿酸（UA）進行的耐久性測試；(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DA進行的耐久性測試；(f) 對UA進行的耐久性測試；(g) 三個相同的HMJ傳感器在10 μM DA和UA中的長期穩(wěn)定性測試。

本研究巧妙運用仿生設計理念，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檢測尿液中的關鍵成分，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雜使用環(huán)境下，檢測結果依然可靠；而良好的舒適性則極大提升了用戶佩戴體驗，讓長期監(jiān)測變得輕松便捷。

展望后續(xù)研究，團隊計劃進一步提升傳感器的集成度，使設備功能更加豐富多樣。同時，團隊還將積極探索HMJ-Sensor在腎病、痛風等疾病居家監(jiān)測領域的應用潛力。通過實現(xiàn)對這些疾病相關指標的實時、持續(xù)監(jiān)測，助力患者更有效地管理自身健康。