長期監測生命/生理信號對于全面了解個人健康、預測疾病、個性化治療和慢性疾病管理至關重要。最新的可穿戴電子設備，特別是集成于皮膚或紡織品中的，促進了日?；顒又械倪B續生物信號監測。然而，這些設備普及和臨床應用面臨挑戰，主要是因為電子材料/設備的透氣性差，導致汗水積聚，引起不適并影響信號質量。超薄、多孔、納米纖維、納米網狀和紡織結構的透氣電子元件能有效排出氣體和汗液，提供用戶友好的界面，保證長期監測中的信號穩定性。盡管如此，具有高級集成功能的可呼吸電子設備仍處于初步階段，開發復雜的傳感器、電路及其它功能模塊的可呼吸形式是未來的重要挑戰。

在此，香港城市大學于欣格教授課題組介紹一種基于三維液體二極管（3D LD）配置的集成透濕可穿戴電子設備的通用策略。通過構建空間異質潤濕性，三維液態二極管以 11.6 ml cm-2 min-1 的最大流速將汗液從皮膚單向自泵送至出口，比運動時的生理出汗率高出 4000 倍，即使在出汗條件下也能表現出卓越的親膚性、用戶舒適度和穩定的信號讀取性能。可拆卸式設計結合了可更換的蒸汽/出汗放電基板，實現了軟電路/電子元件的重復使用，提高了其可持續性和成本效益。作者在先進的皮膚集成電子元件和紡織品集成電子元件中展示了這一基礎技術，凸顯了其在可擴展、用戶友好型可穿戴設備方面的潛力。相關成果以“A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics”為題發表在《Nature》上，第一作者為Binbin Zhang,Jiyu Li, Jingkun Zhou和Lung Chow為共同一作。

作者基于三維 LD 概念（圖 1a），從材料加工、器件結構和系統集成等方面報告了集成透水可穿戴電子器件的基本方法。與已報道的作品不同的是，三維 LD 并不依賴于獨特的材料，而是在被稱為垂直液體二極管（VLD）的平面外汗液通道上采用了被稱為水平液體二極管（HLD）的平面內液體傳輸層。三維 LD 結合了平面內和平面外的汗液傳輸特性，不僅具有極佳的透氣/透汗性能，而且可以在其上直接集成高性能可穿戴電子設備，而不會對汗液產生任何影響（圖 1b）。它能迅速將汗液從皮膚-設備界面自流到出口，但又能防止回流，從而使可穿戴設備能提供可靠的生物信號監測，具有強大的粘附強度，并在長期佩戴過程中提供無刺激的舒適感（圖 1c-e）。此外，基于三維 LD 基底和柔性/可穿戴電子元件磁耦合的可拆卸設計大大提高了實際可用性并降低了成本（圖 1f）。

圖1：基于3D?LD概念的集成系統級透汗可穿戴電子產品

透水集成系統的設計

圖 1b 和圖 2a 展示的透汗電子元件集成了蛇形金屬互連器作為透汗電極，其中3D LD既充當定向排汗基底，也支撐成熟的多功能電路/電子元件加工。以30%覆蓋率的聚酰亞胺（PI）/金（Au）蛇形網狀互連設計的電極，既能緊密貼合皮膚保持導電性，也展示了卓越的滲透性。VLD通過其親水性梯度通道快速將汗液從皮膚-電極界面泵送到設備背面，其空間分布式通道設計與傳統Janus織物不同，能使汗液形成易于脫落的液滴。作者還引入了HLD，通過默認路徑在通道內擴散汗液，有效地將其輸送至汗液收集器進行蒸發或經過出口滴落，確保汗液順暢排出。

VLD 的特性

VLD的開發基于對聚酯織物進行的超疏水處理，使用選擇性等離子處理在暴露通道上產生潤濕梯度，以優化汗液傳輸速率（最高可達1.4毫升/分鐘）。親水區的大小和處理條件影響VLD性能，因等離子體在織物中的衍射/擴散，實際親水區面積通常大于暴露面積。通過調整面罩尺寸和處理時間，找到了最佳設計參數，以平衡汗液傳輸率和親水面積大小，實現高效汗液傳輸。此外，研究了織物厚度、浸涂次數和處理時間對性能的影響，確定了最佳通道密度和間隔，以減少液滴粘附。在最佳設計下，VLD的汗液傳輸率遠高于人體輕微運動時的傳輸率。VLD還展示了良好的透氣性、穩定性和一致的汗液傳輸能力，即使在長期使用后也能保持高傳輸率，遠超人體運動時的出汗率

圖 2：滲透性電極和 VLD 的特性

HLD 的特征

HLD的單向汗液傳輸能力得益于精心設計的梯度親水微柱和力學設計。在PDMS微柱上涂覆的PVA和二氧化硅納米顆粒復合材料賦予其持久的親水性。這些微柱均勻分布，通過十字形支撐增強了抗壓能力。有限元分析確認了支撐結構的效果，透氣性評估表明，最佳支撐間隔為4mm。微柱的排列和間距對汗液傳輸率有重要影響，最佳行間距設定為100μm以優化傳輸效率和擊穿距離。

對PDMS進行PVA/SiO2復合涂層處理提高了其超親水性，進而增強了HLD的汗液遷移率。涂層的超親水性在30天內保持穩定，實驗證明接觸角越小，遷移率越高。微柱高度是另一個關鍵因素，但需平衡遷移率和結構穩定性。微柱的直徑調整對優化汗液排放效率至關重要，最優參數為直徑50μm和高度100μm，這一配置在長期使用和汗液沖洗下顯示出穩定的傳輸性能。

3D?LD 的特性

通過在環形親水性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）織物中插入，實現了與VLD和HLD集成的三維LD，該織物既是粘合層，又是汗液收集器。三維LD展現了從皮膚向指定出口有效輸送汗液的能力。有限元分析顯示了其高效性，包括速度、流線、壓力等值線及時空體積分數。與常用的PDMS基底比較，三維LD在模擬人工排汗模型中顯示了更好的排汗性能，尤其在持續流動條件下。PDMS薄膜由于透氣性和透水性較低，會形成圓頂狀并導致汗液泄漏，而三維LD優異的滲透性能允許汗液和氣體暢通無阻地輸送，保持與人造皮膚的貼合接觸。實驗和有限元分析證明，三維LD在多種變形下能穩定傳輸汗液，且細胞毒性評估顯示其具有良好的生物相容性。

圖 3：HLD 和 3D?LD 的特性

3D LD 的用戶研究

在用戶研究中，對不同可穿戴設備進行了綜合評估，考察了其汗液/濕度管理對佩戴舒適度和設備性能的影響。包括貼合力、皮膚熱舒適度評估和信號質量比較。通過測試商用ECG貼片、PDMS薄膜、VLD和3D LD，發現VLD和3D LD具有較好的貼合力和皮膚無刺激。長期佩戴測試顯示VLD和3D LD對皮膚友好，沒有引起刺激或炎癥。透氣性測試表明VLD和3D LD提供了更高的佩戴舒適性，特別是在進行體育活動時，由于其優異的透氣性和透汗性，導致較低的皮膚溫度升高。在測試生物信號采集時，與商用ECG和PDMS電極相比，基于3D LD的電極即使在運動和出汗情況下也能提供更穩定的信號，表明3D LD的透濕性有助于保持穩定的皮膚-電極接觸

圖 4：水分管理對穿著舒適度和設備性能的評估

集成系統級透汗電子設備

作者展示了3D LD技術在兩種典型可穿戴電子設備中的應用：一種輕薄柔軟的心電圖監測系統和一個集成于紡織品的氣象站，顯示了其通用性和可擴展性。心電圖監測儀采用可拆卸的磁性耦合設計，由蒸汽/汗液釋放基板和柔性防水電路層組成，具備輕薄、柔軟和可伸展的特點。該設備可固定在受試者胸部，心電圖數據無線傳輸至智能手機，且在各種活動中表現出良好的信號穩定性和低熱積累。利用磁性充電線為設備充電，支持長期心電圖監測，包括心率、QT間期和心率變異性等參數的成功監測。

另一方面，作者開發了一種無電池、柔性、可滲透的紡織品集成電子設備，作為基于T恤的氣象站，監測溫度、濕度、UV指數、大氣壓和海拔。該設備利用近場通信技術將天氣數據傳輸到移動設備，展示了其在戶外活動中的實用性。這些應用展示了3D LD技術在提高可穿戴設備適應性和功能性方面的潛力。

圖 5：透氣、透汗的皮膚集成和紡織電子產品

小結

3D LD以其系統級透濕性和超越人體出汗率的性能，為醫療保健監測提供無縫、持續及舒適的體驗。用戶研究顯示，即使在出汗條件下，3D LD也能維持穩定且舒適的皮膚-設備接觸，其基于3D LD技術的心電監測設備相較傳統設備在運動時顯示更少的偽影，并能連續提供一周的可靠信號。3D LD技術展現了成為長期、用戶友好的醫療保健監測可穿戴設備的潛力。提升其性能和擴大生產的關鍵在于優化功能材料、設備結構與制造技術。同時，開發可清洗、可回收的粘合劑底材，以增強設備的可持續性和成本效率。

來源：高分子科學前沿

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