研究六边形微腔通道 Janus 织物传感器实现精准生理监测

西北大学张欣、杨逢春团队与西安建筑科技大学于莎教授合作，基于仿生攀岩鱼皮肤的六边形微结构，创新设计出Janus织物（HMJ-FT），并成功构建可穿戴电化学传感器（HMJ-Sensor）。该传感器通过六边形微腔与垂直Janus通道协同作用，实现尿液高效定向传输，同时精准检测多巴胺（DA）和尿酸（UA），且经弯折、摩擦、水洗及长期存储后性能稳定。 背景介绍 随着医疗保健需求的增长，可穿戴电化学传感器凭借便携性、非侵入性等优势，成为生理信息监测的重要工具。尿液蕴含多DA和UA等关键生理指标，对神经疾病、痛风及肾脏问题的早期诊断至关重要。然而，现有传感器因液体积聚和回流问题，导致检测精度低且稳定性不足，限制了实际应用。Janus结构因利用表面能梯度或拉普拉斯压力梯度实现无外能驱动的液体自传输而广受关注。另外，为有效解决接触界面液体积聚问题，液体的水平迁移同样关键。水平迁移与垂直传输的结合可调整液体运动轨迹和方向，优化其沿路径的分布，从而实现精准操控。因此，本研究受攀岩鱼皮肤微六边形结构启发，开发HMJ-FT。该织物通过疏水侧六边形微腔实现液体水平迁移，结合垂直Janus通道的润湿性差异，实现尿液定向传输，彻底阻断回流。基于HMJ-FT构建的HMJ-Sensor可同步精准检测多巴胺DA和UA，检测限分别低至10.0770 nM和1.4100 nM，检测范围覆盖0.0360–4000 μM DA和0.0050–6000 μM UA。传感器经120天存储存及多次弯折、摩擦、清洗后性能稳定，兼具优异生物相容性，为可穿戴医疗设备的实时监测与临床应用提供了新的解决方案。 图文解析 üHMJ - FT的创新结构设计及其液体单向运输性能 图1. HMJ - FT的组成与表征。(a) 面巾（FT）纤维上的疏水化处理过程以及疏水涂层的结构细节；(b) 表面形态。(I) 疏水表面和亲水表面的数码照片；(II - IV) 疏水侧和亲水侧不同区域的扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) HMJ - FT（I）、无六边形微腔（No-HM）区域（II）和六边形微腔（HM）区域（III）的横截面SEM图像；(d) 傅里叶变换红外光谱（FT - IR），用于研究疏水化处理的影响；(e) 无HM区域和HM区域的接触角图像；(f) 接触角随作用时间的变化情况。 图2. 六边形微腔（HM）的结构与效果。(a) 攀岩鱼表面的六边形微腔结构；(b) 六边形微腔的液体收集过程；(c) 不同图案区域的液滴扩散速率和集水效率；(d) HMJ - FT与Janus - FT的液体传输性能比较；(e) 液滴在HMJ - FT表面随时间的扩散过程，分别从俯视图和仰视图角度拍摄；(f) 不同六边形微腔间距下的突破压力；(g) 水蒸发速率，(h) 不同六边形微腔间距下的水汽透过率（WVTR）和透气性。 图3. HMJ - FT的实际应用性能。(a) 液滴在疏水侧和亲水侧的单向传输机制；(b) HMJ - FT和Janus - FT在皮肤表面传输性能的数码图像；(c) 接触角随摩擦循环次数的变化。插图展示了单次摩擦测试循环的过程；(d) 400次摩擦循环后的接触角图像；(e) 不同变形状态下的耐久性测试；(f) HMJ - FT疏水侧洗涤后的接触角；(g) HMJ - FT细胞毒性测试的荧光图像。 üHMJ - Sensor传感器电极的表征及其电化学性能 图4. PS/CB/CFT的合成与表征。(a) PS/CB/CFT制备的示意图；(b) FT的扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) 碳化面巾（CFT）的SEM图像；(d) CB/CFT的SEM图像；(e) PS/CB/CFT的SEM图像，以及它们的 (f) X射线衍射（XRD）图谱；(g) 傅里叶变换红外光谱（FT - IR）；(h) 电荷转移电阻（Rct）和双电层电容（Cdl）值 。 图5. HMJ传感器的电化学性能。(a) HMJ传感器的结构；(b) （I）CFT、CB/CFT、PS/CFT和PS/CB/CFT在100 μM DA和UA中的差分脉冲伏安法（DPV）曲线；HMJ传感器在（II）DA或（III）UA浓度变化而另一种化学物质浓度保持恒定情况下的DPV曲线；(c) HMJ传感器在0.1M磷酸盐缓冲液（PB，pH = 6.0）中，在0.25V和0.4V电位下，对不同浓度DA的电流响应；(d) 对不同浓度UA的电流响应；(e) HMJ传感器与其他可穿戴传感器电极材料的检测浓度范围和检测限（LOD）对比；(f) 在相同测试条件下，使用三个相同电极，对PS/CB/CFT在0.1M PB中检测DA的重现性进行的安培法测试；(g) 对PS/CB/CFT检测UA重现性的安培法测试；(h) (i) HMJ传感器对10 μM DA和10 μM UA的抗干扰测试，测试中加入了100μM可能存在干扰的物质。 ü可穿戴式HMJ - Sensor的耐用性与穿戴舒适性 图6. HMJ传感器的实际性能表征。(a) 集成传感系统的组件。插图展示了基于电路板的尿液检测系统框架图；(b) 用于分析的HMJ传感器的数码图像；(c) 在弯曲和扭转状态下，对多巴胺（DA）和尿酸（UA）进行的耐久性测试；(d) 在环境温度为28 ℃的户外记录的，HMJ传感器和其他薄膜在皮肤上的温度分布红外热像图；(e) 在不同洗涤条件下对DA进行的耐久性测试；(f) 对UA进行的耐久性测试；(g) 三个相同的HMJ传感器在10 μM DA和UA中的长期稳定性测试。 总结与展望 本研究巧妙运用仿生设计理念，成功解决了可穿戴尿液传感器长期面临的液体管理难题。由此诞生的HMJ-Sensor传感器，在灵敏度、稳定性以及舒适性方面均表现卓越。其高灵敏度能够精准检测尿液中的关键成分，为健康监测提供精确数据；出色的稳定性确保了在各种复杂使用环境下，检测结果依然可靠；而良好的舒适性则极大提升了用户佩戴体验，让长期监测变得轻松便捷。 展望后续研究，团队计划进一步提升传感器的集成度，使设备功能更加丰富多样。同时，团队还将积极探索HMJ-Sensor在肾病、痛风等疾病居家监测领域的应用潜力。通过实现对这些疾病相关指标的实时、持续监测，助力患者更有效地管理自身健康。 文献详情： 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*，Fengchun Yang* ACS Sens.2025 https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03362 审核编辑 黄宇