王秀锋课题组在AFM发表综述：表面润湿性在柔性可穿戴器件中的应用

2022年4月，王秀锋教授课题组以“表面润湿性在皮肤贴合类器件中的应用（Surface Wettability for Skin-Interfaced Sensors and Devices）”为题在材料领域国际著名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, IF: 18.808）发表综述长文。王秀锋教授为第一作者，其博士生刘杨承毅为第二作者，欧阳晓平院士和宾州州立大学程寰宇教授为通讯作者，湘潭大学为论文第一单位。该文综述了表面润湿性在可穿戴能源和健康监测器件中的最新进展，包括皮肤贴合类器件中表面润湿性的调控策略（单超亲水、单超疏水、双效图案化和Janus结构等）和前沿应用（自清洁、水分管理、液滴发电、汗液可控收集与即时检测等），分析了可穿戴器件在水合环境中使用可能出现的挑战，展望了表面润湿性在健康监测和能源收集方面的潜在优势和未来机遇。

文章首先总结了皮肤贴合类器件可能遭遇的复杂水合环境情况，包括来自体内的汗液、油脂、伤口渗出液等分泌物，和自外界环境中雨水、雾水、饮食等带来的水分及湿气，表面润湿性在调控器件中固液界面相互作用方面有着显著优势，这有助于可穿戴健康检测与能源设备更好面对复杂水合环境中挑战和机遇。可穿戴中表面润湿性调控包括单一的（超）亲水和（超）疏水处理，以及双效图案化润湿性设计等，这些可实现包括防水、自清洁、水分管理、汗液收集、传输和分析，以及基于液滴和水分的高效纳米电机发电在内的多种功能和应用。

               

图1  特殊润湿性表面为复杂水合环境中的可穿戴器件带来了新功能和先进应用

【防水】

有效防止外界的水分进入设备内部导致其性能退化或短路，是高性能可穿戴健康和能源设备所要解决的问题之一。超疏水表面的粗糙结构能够在水和器件之间形成空气层，从而降低液滴和器件之间的接触。相比于传统的聚合物封装策略，器件采用超疏水封装层或者自身具有超疏水特性更使得其有效地抵抗外界的水分渗透。

图2 基于表面润湿性实现器件防水功能的常用策略

【自清洁】

除了液滴外，外界污染物（如微生物、细菌和微颗粒）也会影响器件的性能。具有低粘附力和强斥水性的超疏水表面能利用液滴自发滚动的特性去除表面的污染物，从而实现自清洁。而对于难以被水清除的有机污染物，常采用超亲水的光催化材料对于其进行分解，从而达到去除的目的。此外，大分子和微生物在器件表面自发积累造成的生物污染，也会导致其性能退化和增加人体安全风险（如炎症和病毒感染等），特别是在CoV-2019大流行的当下，会让病毒更易传播。具有自清洁特性的表面则能大大减少带有细菌或病毒的液滴在器件上的停留机会，从而更好地保护用户的安全。

图3 基于表面润湿性实现自清洁功能的常用策略

【水分管理】

具有高效水分管理的可穿戴器件，不仅可以避免汗液长期积累在皮肤和器件界面处，以增强粘附和降低局部炎症和感染的风险，还能防止外界液体接触、污染或损伤皮肤。相比于传统的亲水多孔介质，超疏水织物具有防水和自清洁特性，能有效避免外界水分和污染物堵塞孔隙，从而保证了稳定的透气性。然而，单一的透气性往往无法承受高强度运动下的大量汗液，基于润湿性梯度设计的Janus织物具有更高效地定向汗液输送能力，故能解决人体大量出汗问题。此外，Janus织物也能应用于伤口管理，避免组织渗出液的聚集，加快体表伤口愈合。

图4 基于表面润湿性实现水分管理的常用策略

【汗液收集】

可穿戴中汗液分析的准确性依赖于液样的高效收集，污染和蒸发量的最小化。作者总结了通过具有亲/疏水特征的微流通道、亲水多孔介质以及润湿性图案化表面实现汗液定量收集的多种策略。亲水微流通道中汗液在毛细作用的驱动下自发流动，而疏水通道中的汗液流动需要依赖体表汗液蒸发压的驱动。因此，基于亲水通道设计的微流控芯片需要稳定可靠的亲水改性方法，而基于疏水通道的微流控芯片则需要更强的粘附材料。亲水多孔介质材料（包括海绵，织物，纸等）得益于毛细作用即可自发吸入汗液，为低成本汗液采集提供了可行的方案。由于超亲水表面的毛细吸附作用和超疏水表面的排斥作用，结合两者优点的润湿性图案化设计则成为另一种可直接延时收集并即时检测汗液的新手段。此外，将不对称分布的润湿性图案化设计引入微通道中，也显示出相比于亲水通道更高的汗液传输效率。

图5 基于表面润湿性实现汗液收集的常用策略

【汗液传输】

汗液中含有丰富的人体代谢物和生物标志物，为无创检测人体健康状态（例如糖尿病、囊性纤维化和脱水）提供了新的机遇，高效地汗液传输机制使得在单一器件中实现多种汗液组分的连续监测成为可能。在疏水的微流通道中往往采用基于微流通道几何形状变化的毛细爆破阀，而在亲水的微流通道中设置基于润湿性变化的疏水阀也能实现类似功能。此外，通过在亲水介质中构筑疏水壁垒还能实现汗液定向流动，从而规划出多种检测功能的区域。

图6 基于表面润湿性实现汗液输送的常用策略

【电化学汗液分析】

可穿戴电化学分析常用于汗液的分析，其效率高低依赖于电极与汗液间的相互作用，因此表面润湿性也高效电化学分析中发挥重要作用。一方面，具有亲水性特性的电极表面可以加快电解质的扩散，增加电解质与电极的接触面积。另一方面，具有超疏水特性的电极表面能为耗氧酶的反应持续供氧，保证酶的活性，从而保证汗液分析的长时间可靠。

图7 基于表面润湿性实现电化学汗液分析的常用策略

【基于液滴的纳米发电机】

基于液滴能量收集的纳米发电机为可穿戴设备提供了一种低成本且高效的能源解决方案，超疏水表面的应用有效避免了表面液体残留而导致的电输出急剧下降，同时增加的表面粗糙度也可以促进电子转移和水接触分离过程以增强带电性。

图8 基于表面润湿性实现液滴能量收集的常用策略

【基于水分的纳米发电机】

为了从汗液或者周围环境中获取能量用于可穿戴设备的供能，利用蒸发引起的水流在多孔碳微纳米通道中流动时，将热能转化为电能的水伏发电机是近年来新兴的能源收集方式。而亲水处理进一步促进了液体在微纳米通道中的流动，从而增强水伏发电机的输出性能。此外，基于表面润湿性梯度设计的湿度纳米发电机也可以用来从外界湿度环境中收集能量。

图9 基于表面润湿性实现水分能量收集的常用策略

【挑战和展望】

1. 获取稳定特殊润湿性的表面，是保证皮肤贴合类器件在各种恶劣水合环境中长期可靠运行的首要条件。

2. 由于润湿性图案化设计在很大程度上取决于表面处理的精度，因此探索高精度图案化技术非常重要。此外，需要发展具有润湿性特性可调的智能表面，以便满足动态变化的环境中器件的需要。

3. 虽然从水合环境中通过不同器件进行能量收集，这为自供电传感器和设备提供了可能，但其输出功率密度通常不足以驱动无线发射器等关键电子设备。

4. 从水合环境中收集能量的自供电设备通常只能在具有挑战性的环境条件下运行（如下雨、高湿度或大量出汗等情况），更多一般情况有待进一步研究。

图10 具有表面润湿性设计的皮肤贴合类器件的机遇

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202200260