保持良好的水合状态，即维持体内水分平衡，对维系人体健康和正常功能至关重要。皮肤可贴合微流控技术，其独特的体表汗液收集和即时分析能力，使得人体水合状态和各种生理指标的无创监测成为可能。然而，当前非电学微流控技术的局限性在于：它需要用户的主动观察，以获取生理信息或追踪异常情况。如何赋予这些器件自动反馈的能力，使其能在生理异常时自动提醒用户，仍然是一个待解决的问题。
基于此，湘潭大学材料科学与工程学院王秀锋教授团队开发了一种具备汗液收集和自反馈功能的皮肤可贴合微流控器件（图1）。它包括两个独立的系统，分别由蛇形微流通道、储液腔、花瓣状爆破阀和发热腔等组成。器件由医用双面胶和PDMS（聚二甲基硅氧烷）精心堆叠和组装而成，其多层结构具有高集成度和易扩展的优点。它能多次自发地对体表皮肤进行热刺激。经表面改性后的PDMS，不仅具有优良的生物相容性，还显著提高了器件的密封性，从而确保了汗液收集和储存的长效性（图2）。器件制备采用了“CAD-to-3D”制造与集成策略，这不仅简化了器件的组装过程，还实现了热激活阈值的可调节性。该方法可以针对不同体表部位的出汗率差异，提供个性化的热感知反馈（图3）。器件的核心在于其新型爆破阀的设计（图4），当汗液收集量达到预设的提醒阈值时，爆破阀会自动打开，使储液腔中的汗液一次性与发热腔中的发热物反应，从而触发热提醒。该技术成功突破了现有非电学汗液微流控器件在自动反馈方面的限制。通过不同受试者的体表试验，发现局部汗液流失量与全身出汗量之间存在显著的相关性（图5）。该器件能在用户达到临界脱水阈值（即个人体重损失率达到2%）之前，有效提醒用户补水，从而避免潜在的过度失水风险。该器件不仅能准确提供出汗量和出汗率的分析，还能及时提醒用户补水，对于监测人体水合状态和实现个性化补水管理具有现实意义。该工作以“Skin-interfaced microfluidic sweat collection devices for personalized hydration management through thermal feedback”为题发表在《Lab on a Chip》2024, 24(2): 356-366上，湘潭大学硕士生杨汉林为该论文第一作者，湖南省儿童医院段效军主任和湘潭大学陈尚达老师为论文共同作者，王秀锋教授为论文通讯作者。
图1 用于个性化水合管理的皮肤可贴合微流控器件。(a)具有出汗量记录和过量预警功能的微流控示意图；(b)贴合于前臂的器件光学图片；(c)器件子层的爆炸视图；(d)弯曲和扭转变形下器件的光学图片。
图2 PDMS的表面改性与表征。(a)UV/O处理示意图；(b)不同UV/O处理下PDMS表面接触角与时间的关系；(c)不同UV/O处理的PDMS与双面胶带剥离时力-位移曲线；(d)不同UV/O处理的PDMS薄膜弯曲前后的光学图像：(i) - (iii) 20 min，(iv) - (vi) 30 min；(e)不同封装层器件的弯曲应力曲线；(f)不同UV/O处理下PDMS薄膜的密封性测试。
图3 微流控器件的容量定制。(a)微流通道组装示意图以及单层微流通道的横截面光学图片；(b)容量定制的器件中液样流动前沿在收集过程中的光学图片；(c)不同层数的微流通道的极限强度。
图4 花瓣状爆破阀的设计和性能测试。(a)花瓣状爆破阀设计示意图；(b)爆破阀对微流通道内液体流动影响；(c)有无爆破阀的器件温度曲线比较；(d)不同花瓣数下的阀门爆破压测试；(e)不同爆破阀的温度曲线及其最高温度红外图像；(f) NP=6的爆破阀在不同汗液流速下的最高发热温度。
图5 微流控器件的原位体表测试。(a)受试者体表的器件照片；(b)受试者1和(c)受试者2的局部出汗量与个体体重损失率之间的关联；(d)器件贴合在背部时汗液收集过程的光学照片，及对应的热提醒时最高温度红外成像。
此工作是该团队近期关于皮肤可贴合微流控与传感器件的最新进展之一。皮肤贴合类汗液微流控芯片已在健康监测和疾病诊断领域展露头角，即时分析需要该类器件具有含时机构，而体表可贴合则需要稳定的力学结构。近年来，该团队在可穿戴微流控器件制备与力学设计方面做了一系列工作。如发展了双流体纸基微流控汗液分析技术(Adv. Sci., 2024, 11:2306023)，用于出汗皮肤的LDH-Janus贴片(Adv. Fun. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202416129)和疏水阀结合单开口腔室的延时收集技术(Lab Chip 2020, 20:2635)。制备了体热与皮肤屏障监测的隐汗传感器(ACS nano 2023, 17:5588)、超疏水压力/应变传感器等(Chem. Eng. J. 2024, 488:150796；Chem. Eng. J. 2022, 432:134370；ACS AMI 2023, 15:38562)；利用板壳理论和能量法分析了微流控结构中的自塌顶行为(Int. J. Solids Struct. 2024, 292:112714; Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增强储液腔结构稳定性理论模型(Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。结合凸优化算法，提出了任意形状腔体自塌陷的普适理论(Inter. J. Solids Struct. 2022, 252:111821)。建立了适应于可穿戴器件的横观层状结构模型(Extreme Mech. Lett. 2023, 63:102046；Sci. China-Technol. Sci. 2023, 66:223)。此外，综述了表面润湿性在可穿戴健康监测与能源器件中的应用(Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，提出了汗液微流控闭环系统在时间采样和自反馈方面的潜在策略(npj Flex. Electron. 2023, 7:43)。长期欢迎材料、力学、物理等专业的博士和硕士研究生报考！
原文链接：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.
