背景介绍
汗液分析可用于无痛无创伤疾病的监测，与眼泪或唾液相比，使用可穿戴设备更容易对汗液进行采样分析。因此，汗液可穿戴设备可用作无创医学监测。目前已经开发了各种表皮汗液监测装置。
但是，皮肤的汗液分泌是不规律的；如在锻炼和热刺激期间汗液分泌是不同的。因此，为了能够快速、持续地监测汗液，传感器必须具有收集汗液的能力。
而提高汗液收集能力可以减少收集汗液所需的运动或热刺激的强度和持续时间。此外，降低汗液停留在感应区的时间可以减少细菌的影响和生化物质的降解。
最近，一些研究人员将汗液收集系统集成到汗液传感器中，这样方便汗液收集和信息运输。已发表的吸汗层包括纸和人造丝；但这些吸汗层在汗液传输中没有方向性，因此不适合持续监测传感区域中新产生的汗液。
另一种选择是微流体通道系统；然而，该系统在通道内使新旧汗液混合，从而导致样品污染。此类设备还具有低的集汗效率。在这些研究中，方向性和集汗效率都不足。
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102740?af=R
DOI:10.1002/adma.202102740
研究内容
本研究中，作者展示了一种具有定向汗液输送和高效率汗收集的集汗贴片，该传感器能够快速并持续的监测汗液。
该贴片的收集组件由通道组成，通道是狭窄的超亲水楔形图案，位于分级微结构/纳米结构表面的超疏水边界内，以及一个可以与汗液传感器结合的汗液储层。
楔形润湿性图案的灵感来自仙人掌的刺；它们在贴片的周边变窄，并在与中心感应区的交界处逐渐变宽。由于几何结构以及超疏水和超亲水层之间的表面能差异，拉普拉斯压力是向心的。因此，即使基材垂直排列，汗液也会自发地输送，而不受重力影响。
贴片几乎不会将汗液留在通道内，从而将汗液从大面积皮肤集中到感应区域。楔形润湿性图案通道比传统微流体通道具有更高的汗液收集效率，并使汗液收集速度加倍。
在一项贴身测试中，带有传感器的贴片在佩戴者开始运动后5分钟内对生化物质做出响应。通过加快汗液的循环速度，贴片减少了汗液留在传感区域的时间，并通过向其提供新鲜产生的汗液，实现了基于传感器的持续传感，监测随着血液变化而发生的汗液生化变化。
图1.集汗贴片的结构设计
该贴片的集汗机制可分为三个阶段。
首先，汗液通过胶粘剂上的穿孔抽取，然后通过位于通道底层的入口注入楔形润湿图案通道中；注入的汗液全方位生长，直至通道的顶面。
其次，汗滴在通道中纵向膨胀；随着汗液的注入，汗滴与楔形润湿图案表面之间的接触面增加。
第三，如果汗滴超过临界长度，液滴上的拉普拉斯压力变得大于由于接触角滞后引起的阻力和粘性力的总和；因此汗滴自发地移动到汗液储存器。
为了制造超疏水/超亲水图案化表面，将聚乙烯醇（PVA）/纳米二氧化硅混合溶液喷涂到等离子体处理的PDMS上。PVA具有许多羟基，将其固定在二氧化硅颗粒上，从而产生PVA-二氧化硅分级微结构/纳米结构表面作为超亲水表面。
然后用十八烷基三氯硅烷（ODTS）处理超亲水表面，ODTS与PVA的羟基进行化学交联并制备疏水层；该层使超亲水表面具有超疏水性能。在超疏水表面应用掩膜后，再次喷涂PVA/二氧化硅纳米颗粒混合溶液以形成楔形超亲水图案表面。
制造的超疏水表面的水接触角约160°，超亲水表面的约0°。此外，二氧化硅纳米粒子与基材牢固结合；因此，当基材被拉伸时，PVA-二氧化硅分层结构不会与PDMS基材分离。超疏水/超亲水表面不会因1000次拉伸/释放循环而降低其表面能。
图2.受仙人掌刺启发的楔形润湿性图案通道的开发
作者开发具有新颖几何特征的贴片的灵感来自仙人掌脊柱的3D楔形结构，该结构在空气中具有吸湿能力。仙人掌的脊椎呈圆锥形，其直径呈不对称结构，从脊椎顶端向基部逐渐增大。
由于这种不对称结构，在脊柱上形成的液滴的两个相反的表面具有不同的曲率。靠近尖端的表面具有较大的曲率，而靠近基部的相对表面具有相对较小的曲率。在这种情况下，作用在每个表面上的拉普拉斯压力与表面曲率成比例变化，因此液滴自发地向脊柱底部移动。
通过模仿仙人掌脊柱的设计并使用楔形图案和超疏水/超亲水表面的润湿性差异再现了仙人掌脊柱的结构特性。楔形图案表面上的液滴自发地移动到楔形图案的宽端，因为在液体表面产生的拉普拉斯压力会在超亲水区域的方向上产生力。
作者测试了集汗贴片倾斜状态的液滴运动，因为贴片随着身体移动而倾斜。结果，楔形图案通道汗液流速等于70 mms-1，与倾斜角无关。例如，在略微倾斜（30°）、极度倾斜（90°）甚至倒置（150°）的基材上，液滴会快速移动到汗液池。因此，这个通道可以收集身体任何部位的汗液，而无需额外的力量。
图3.斜坡上拉普拉斯压力驱动的自动液滴输送
楔形通道将汗液输送到储汗区的中心，而不会将其留在通道内；与条纹图案通道相比，汗液的收集效率更高。
为了定量比较通过每个通道收集的汗液量，作者使用高速相机观察汗液库。在实验中，作者使用了一个人工发汗系统，以2 µLmin-1的速度连续注入水通过与通道入口相连的冲孔。
条纹图案的通道在大约150秒内无法在汗液储存器中收集汗液，因为汗液在被输送到储存器之前必须填充通道。相比之下，在注入汗液的同时，楔形通道将汗液逐滴输送到储汗器；因此，使用楔形图案通道可以比使用条纹图案通道快约两倍的速度填充储汗器。
图4.通过楔形通道提高汗液收集效率
为了测试身体上的汗液收集效率，作者将汗液收集贴片与汗液传感器结合起来，制成三电极系统，在工作电极上具有乳酸或葡萄糖氧化酶，Pt-涂层对电极和Ag/AgCl电极作为参考电极。
在恒电位条件下（0.7V，乳酸传感器对人造汗液中各种乳酸浓度（4-20×10-3 M）的响应评估显示出高度线性的浓度依赖性（r2=0.99）。对葡萄糖传感器对各种葡萄糖浓度（50-250×10-6 M）的响应的类似评估也显示出高度线性的浓度依赖性（r2=0.99）。
此外，乳酸和葡萄糖传感器的选择性测试和再现性测试证实两种传感器都具有可靠的传感性能。为了实时监测人体汗液传感器，作者将一个配备传感器的贴片贴在一个健康人类受试者的皮肤上，该受试者在25°C的房间内骑固定自行车锻炼。随时间测量汗液葡萄糖和乳酸浓度的时间变化。
作者使用乳酸传感器测量检测汗液中生化物质所需的时间。受试者开始运动后，汗液分泌延迟；因此，初始测量电流非常低。然而，随着汗液蓄水池开始充满，电流立即增加；然后在蓄水池注满后稳定下来。乳酸传感器在运动开始后5分钟内对汗液中的乳酸做出反应。
这些结果表明，与传统的微流体系统相比，该贴片可以快速收集汗液用于传感器测量。
图5.汗液传感器和集汗贴片集成示意图
结论
作者展示了一种集汗贴片，它可以快速有效地收集汗液，减少了汗液传感器监测时间，还可以对汗液中的生化物质进实时的持续监测。
超疏水/超亲水楔形润湿性图形通道使汗滴在70 mms−1下快速自发移动;即使衬底倾斜角度从0°到360°，液滴在拉普拉斯压力下也能以大于等于70 mms−1的速度移动。
因此，楔形通道可以收集身体各个地方的汗液，而不需要额外的力。此外，该通道吸汗效率高;它不会在通道内留下任何汗液，使其收集汗液的速度约是传统微流体通道的两倍。
楔形通道集汗贴片可以在约1分钟内填满储汗器，这比之前发表的论文和在相同条件下测试的集汗系统所需的时间要短得多。
此外，通过加速传感区域汗液的循环速度，贴片能够持续监测汗液生化物质与受试者血液中的浓度的相关性。以往报道的汗液传感器在实时监测方面存在局限性，需要在短时间内收集足够的汗液量进行监测。
汗液传感器的传感时间过长，降低了用户使用的便利性，甚至可能造成生理污染。然而，作者提出的汗液收集贴片几乎不需要将汗液留在通道内就可以将汗液传输到传感区域。因此，该装置适用于快速、持续的汗液监测。
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