一种用于模拟人体皮肤排汗的新型一体化三维亲/疏水设计

 皮肤是人类最大的器官，也是与周围环境接触的第一个界面，在保护、感觉、绝缘和热调节方面发挥着重要作用。近年来，人工皮肤的再生性能在机器人、医药、纺织等各个领域都有重要的研究意义。其中，排汗作为人体皮肤最重要的温度调节功能之一，越来越受到人们的关注，但如何实现理想的模拟排汗人工皮肤仍然是一个挑战。

近期，美国斯坦福大学崔屹教授团队提出了一种用于模拟人体皮肤排汗（i-TRANS）的新型一体化三维亲/疏水设计。在普通纤维纤芯材料的基础上，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行梯度选择性表面改性，从而在横向和纵向上形成亲疏水性对比。在底层亲水尼龙6纳米纤维的帮助下，构建的i-TRANS能够定向输送“汗液”，而不会捕获多余的水分，并在顶部表面实现均匀的汗滴“分泌”，很好地模拟了人类皮肤排汗的情况。

i-TRANS的设计

研究人员首先选择由纤维素微细纤维组成的普通滤纸作为基材，相互连接的亲水性纤维网络形成分层多孔结构，使其成为一种理想的吸水材料，能够通过毛细效应有效地输水。因此通过选择性表面改性以改变纤维芯吸基材的表面特性。“汗孔”（蓝色）是亲水的，并保留了水的输送能力，而“非毛孔”区域（红色）变成疏水的，阻止了多余的水吸收。此外，研究者还在微米级纤维层下方的最底部添加了一层薄的亲水性纳米纤维（NF）层以散布水，它进一步帮助水进入“汗孔”并被运出以形成均匀的出汗。

i-TRANS的制备

研究者采用喷涂的方法对材料表面亲疏水性进行改性，利用稀释的聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行喷涂。将带有“汗孔”覆盖物的蒙板安装在滤纸上。蒙面一侧将用作底面，而另一侧是顶面，用于模拟汗水。这种亲水性的梯度赋予i-TRANS从下到上的定向水传输能力。


三维疏水性/亲水性对比表征

表面改性变化导致“汗孔”和非孔部分在垂直方向上的亲水性/疏水性梯度。尽管这些区域没有表现出非常强的亲水性，但由纤维构成的多孔结构产生的毛细效应起到了水润湿的作用。尼龙6纳米纤维被压入纤维素纤维之间的孔隙以及纤维素纤维骨架中，形成相互连接的亲水纳米纤维网络。因此，i-TRANS底部在尼龙6纳米纤维薄膜的帮助下实现了良好的亲水性，可以铺展水。

模拟出汗条件下i-TRANS性能评估

对于普通的芯吸层来说，其强大的芯吸能力使其能够吸收水分并在一定区域内散布成椭圆形。随着水量增加，芯吸层变得完全湿润。然而，这并不是真正的皮肤在产生汗水时的表现。与芯吸材料不同，多孔亲水PET膜根本不吸水，当放置在一定量的水面上时，水分布在更有限的区域，无法实现均匀的“出汗”。即使下方有兼容的储水器和压力供应装置，均匀的“汗孔”激活也是艰巨的。相比之下，即使是极少量的水（0.05 mL）也足以占据i-TRANS上几乎所有的“汗孔”，并被输送到外表面形成均匀的“汗”液滴。

相关工作以“Integrated Three-dimensional Hydrophilicity/hydrophobicity Design for Artificial Sweating Skin (i-TRANS) Mimicking Human Body Perspiration”发表在《Advanced Materials》上。 

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