港城大胡金莲教授课题组在用于人体皮肤湿热管理与防护的静电纺丝纳米纤维膜领域取得系列研究进展

2023-09-06 来源：高分子科技

Advanced Fiber Materials：生物启发单层Janus织用于综合个人冷却管

Janus织物定向输水由于其优异可行的个人制冷管理能力，取得了广泛的进展，对节能减排和人体健康具有重要意义。然而，现有的用于定向输水的Janus非对称多层织物合成复杂，稳定性差，仍然受到限制。

近日，受叶片角质层的成分分级结构的启发,香港城市大学胡金莲（Hu Jinlian）教授等人开发了一种单层Janus个人冷却管理织物(JPCMF)。JPCMF不仅具有较强的定向体输水能力，而且具有较高的非对称输水能力，其不对称系数为1.49，水汽透射值为18.5 kg^-1 m^-2 D^-1，水分蒸发速率为0.735 g h^-1。重要的是，由于采用了一种新的静电吸附辅助自粘策略，JPCMF具有优异的耐久性和稳定性，可以抵抗磨损、剥落和拉伤。凭借这些特性，JPCMF在湿性皮肤上可以实现比棉织物更好的4.0°C个人冷却管理效果。良好的生物相容性和无毒性也使JPCMF具有成为自抽吸敷料的潜力。我们的战略应该为开发下一代智能多功能织物提供一种新的方法。

原文链接：Si Y, Shi S, Dong Z, et al. Bioinspired stable single-layer Janus fabric with directional water/moisture transport property for integrated personal cooling management[J]. Advanced Fiber Materials, 2023, 5(1): 138-153.https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-022-00200-4

Nano-Micro Letters：仿生全纤维定向吸湿电子皮肤

普通柔性电子器件的基材会抑制气体和液体的渗透性不适合长期佩戴。纺织品与各种低成本快速制造策略相结合，被设计用于制造灵活、轻便、经济高效、可渗透空气和液体的柔性设备，且在单个设备中实现不同模态的传感功能也是发展趋势之一。

香港城市大学胡金莲（Hu Jinlian）教授等人发现，将单向导湿技术应用于电子皮肤之中同样可以实现湿热管理的目的。在这项研究中，他们设计了一种基于非均质纤维膜和导电MXene/CNTs电喷涂层的多层结构的仿生定向吸湿电子皮肤(DMWES)。通过设计亲疏水差异明显的表面能梯度和推拉效应，成功地实现了单向水分传递，可以自发地吸收皮肤上的汗液，最终实现人体皮肤湿热管理的目的。与此同时，DMWES膜具有良好的压阻传感性能，以MXene/CNTs喷涂导电层的压阻传感器具有灵敏度高(最大灵敏度548.09 kPa^-1)，线性范围宽，响应速度快，恢复时间短的特点。此外，基于DMWES的单电极摩擦纳米发电机的面功率密度高达21.6 μW m^-2，具有运行超过5000次的良好循环稳定性。此外，优越的压力传感和摩擦电性能使DMWES能够进行全方位的医疗保健传感，包括压阻效应监测的生理脉搏，声音信号以及摩擦电效应收集的步态信息等。

原文链接：

Zhi C, Shi S, Zhang S, et al. Bioinspired All-Fibrous Directional Moisture-Wicking Electronic Skins for Biomechanical Energy Harvesting and All-Range Health Sensing[J]. Nano-Micro Letters, 2023, 15(1): 60.

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01028-2

Materials Horizons：一种具有保暖性的超分子增强膜

在节能策略中，保持合理稳定的体温对人类的各种活动至关重要。然而，众所周知，用作辐射反射器的类金属材料严重限制了可穿戴性，从而给个人热管理（PTM）系统带来了巨大障碍。

在最新的研究中，香港城市大学胡金莲（Hu Jinlian）教授等人设计出了一种超分子增强膜(SupraEM)作为中红外(MIR)反射器。通过在电纺混合纳米纤维表面装饰 MXene，开发出一种 SupraEM，作为用于体温调节技术的中红外反射器，从而展示了增强的被动保暖效果。合成的SupraEM具有精心设计的MXene纳米片涂层结构，其中MXene层实现了低发射率以达到被动加热效果，而MXene与纳米纤维层之间的超分子相互作用减轻了其柔韧性和强度的下降，从而提高了穿戴的舒适性。由于氢键的形成，根据理论计算，混合纳米纤维与 MXene 纳米片之间的吸附能可以通过添加聚氨酯分子而得到有效提高。值得注意的是，通过在 PVDF&PU 基体表面装饰一定浓度的 MXene，所得到的 PVDF&PU/MXene SupraEM 在 8-13 μm 的大气窗口中表现出 0.246 的低辐射率，并显示出其保暖能力所涉及的散热障碍。因此，实时温度测量和红外热图像显示，SupraEM 的升温能力比没有 MXene 装饰的膜高 8 ?C，保暖能力比比我们的 SupraEM 厚三倍的传统膜高 6.2 ?C。经加工的 SupraEM 的水蒸气透过率（WVTR）为 4 11.60 kg m^-² day^-¹，机械性能得到改善，能够承受 12MPa的拉伸应力和 82% 的伸长应变。这项工作表明，在不牺牲其温度保持度的情况下，装饰MXene的耐磨性，克服了困扰MXene作为PTM系统温度调节材料的主要瓶颈。

原文链接：Lei L, Wang D, Shi S, et al. Toward Low-Emissivity Passive Heating: A Supramolecular-Enhanced Membrane with Warmth Retention[J]. Materials Horizons, 2023. DOI: 10.1039/d3mh00768e

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00768e

Advanced Materials：用于健康管理的仿生皮肤:出色的透气性、原位传感和大数据分析

开发智能可穿戴系统对人体健康管理具有重要意义。理想的健康监测贴片应具有高透气性、排湿功能、高灵敏度和舒适的用户体验等关键特性。然而，这样一个包含所有这些功能的贴片很少被报道。

香港城市大学胡金莲（Hu Jinlian）教授等人利用先进的静电纺丝技术，将仿生结构、纳米焊接技术、柔性电路设计、多功能传感功能和大数据分析相结合，开发了一种用于健康管理的智能仿生皮肤贴片。通过控制纳米纤维的制备和构建仿生二级结构，得到的纳米纤维膜与人体皮肤非常相似，具有优异的透气性、透湿性和单侧排汗性能。此外，仿生贴片还具有对汗液代谢物(包括葡萄糖、乳酸和pH)的高精度信号采集能力;通过原位传感电极和柔性电路设计，可以精确测量皮肤温度、皮肤阻抗和肌电信号。所实现的智能仿生皮肤贴片在健康管理系统和康复工程管理中具有很大的应用潜力。值得一提的是，通过红外相机成像，该仿生皮肤显示出更好的热辐射能力，比商品化电极温度低约1.2℃。该智能仿生贴片的设计不仅为健康管理提供了很高的实用价值，而且对新一代可穿戴电子设备的开发也具有很大的理论价值。

原文链接：Shi S, Ming Y, Wu H, et al. A Bionic Skin for Health Management: Excellent Breathability, In‐Situ Sensing, and Big Data Analysis. Advanced Materials, 2023: 2306435.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306435

Small：基于共静电纺丝-静电喷涂策略用于极端环境的仿生分层多重保护膜

极端的自然环境会对人类健康造成极大的危害，甚至威胁到生命安全。具有多种防护功能的轻质透气服装具有很大的应用价值。防水透气(W&B)静电纺织物是一个极好的潜在选择。然而，如何将多种保护功能以简便的方式集成到纳米纤维中并具有优异的稳定性仍然是一个巨大的挑战。

在这里，香港城市大学胡金莲（Hu Jinlian）教授等人开发了一步共j静电纺丝-静电喷涂的策略来制备具有荷叶状分层多尺度结构的超疏水多重保护膜(S-MPM)。静电纺丝得到的二维纳米纤维网络可以牢固地锚定静电喷涂得到的三维微纳米粒子。其独特的3D“砖墙模型”可以赋予S-MPM强大的物理和化学功能稳定性，保护人体在雨天不被淋湿。特殊的高/低温液体环境也无法穿透S-MPM的保护，防止对人体皮肤的伤害。更重要的是，即使是冰水（0℃）或者热水（70℃）也无法破坏其稳定的超疏水性，对人体皮肤造成伤害。即便是在寒冷气候或火灾等更极端的情况下，具有防冰/除冰和阻燃能力的S-MPMj将会成为人体的最后一道防线。这种S-MPM有可能引发下一代功能性服装实际应用的革命。

原文链接： Si Y, Yang J, Wang D, et al. Bioinspired Hierarchical Multi‐Protective Membrane for Extreme Environments via Co‐Electrospinning‐Electrospray Strategy[J]. Small, 2023: 2304705.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202304705

胡金莲（Hu Jinlian）教授课题组主页：https://we4tcm.com/

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（责任编辑：xu）

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