长期监测生命/生理信号对于全面了解个人健康、预测疾病、个性化治疗和慢性疾病管理至关重要。最新的可穿戴电子设备，特别是集成于皮肤或纺织品中的，促进了日常活动中的连续生物信号监测。然而，这些设备普及和临床应用面临挑战，主要是因为电子材料/设备的透气性差，导致汗水积聚，引起不适并影响信号质量。超薄、多孔、纳米纤维、纳米网状和纺织结构的透气电子元件能有效排出气体和汗液，提供用户友好的界面，保证长期监测中的信号稳定性。尽管如此，具有高级集成功能的可呼吸电子设备仍处于初步阶段，开发复杂的传感器、电路及其它功能模块的可呼吸形式是未来的重要挑战。

在此，香港城市大学于欣格教授课题组介绍一种基于三维液体二极管（3D LD）配置的集成透湿可穿戴电子设备的通用策略。通过构建空间异质润湿性，三维液态二极管以 11.6 ml cm^-2 min^-1 的最大流速将汗液从皮肤单向自泵送至出口，比运动时的生理出汗率高出 4000 倍，即使在出汗条件下也能表现出卓越的亲肤性、用户舒适度和稳定的信号读取性能。可拆卸式设计结合了可更换的蒸汽/出汗放电基板，实现了软电路/电子元件的重复使用，提高了其可持续性和成本效益。作者在先进的皮肤集成电子元件和纺织品集成电子元件中展示了这一基础技术，凸显了其在可扩展、用户友好型可穿戴设备方面的潜力。相关成果以“A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics”为题发表在《Nature》上，第一作者为Binbin Zhang, Jiyu Li, Jingkun Zhou和Lung Chow为共同一作。

作者基于三维 LD 概念（图 1a），从材料加工、器件结构和系统集成等方面报告了集成透水可穿戴电子器件的基本方法。与已报道的作品不同的是，三维 LD 并不依赖于独特的材料，而是在被称为垂直液体二极管（VLD）的平面外汗液通道上采用了被称为水平液体二极管（HLD）的平面内液体传输层。三维 LD 结合了平面内和平面外的汗液传输特性，不仅具有极佳的透气/透汗性能，而且可以在其上直接集成高性能可穿戴电子设备，而不会对汗液产生任何影响（图 1b）。它能迅速将汗液从皮肤-设备界面自流到出口，但又能防止回流，从而使可穿戴设备能提供可靠的生物信号监测，具有强大的粘附强度，并在长期佩戴过程中提供无刺激的舒适感（图 1c-e）。此外，基于三维 LD 基底和柔性/可穿戴电子元件磁耦合的可拆卸设计大大提高了实际可用性并降低了成本（图 1f）。

图1：基于3D LD概念的集成系统级透汗可穿戴电子产品

透水集成系统的设计

图 1b 和图 2a 展示的透汗电子元件集成了蛇形金属互连器作为透汗电极，其中3D LD既充当定向排汗基底，也支撑成熟的多功能电路/电子元件加工。以30%覆盖率的聚酰亚胺（PI）/金（Au）蛇形网状互连设计的电极，既能紧密贴合皮肤保持导电性，也展示了卓越的渗透性。VLD通过其亲水性梯度通道快速将汗液从皮肤-电极界面泵送到设备背面，其空间分布式通道设计与传统Janus织物不同，能使汗液形成易于脱落的液滴。作者还引入了HLD，通过默认路径在通道内扩散汗液，有效地将其输送至汗液收集器进行蒸发或经过出口滴落，确保汗液顺畅排出。

VLD 的特性

VLD的开发基于对聚酯织物进行的超疏水处理，使用选择性等离子处理在暴露通道上产生润湿梯度，以优化汗液传输速率（最高可达1.4毫升/分钟）。亲水区的大小和处理条件影响VLD性能，因等离子体在织物中的衍射/扩散，实际亲水区面积通常大于暴露面积。通过调整面罩尺寸和处理时间，找到了最佳设计参数，以平衡汗液传输率和亲水面积大小，实现高效汗液传输。此外，研究了织物厚度、浸涂次数和处理时间对性能的影响，确定了最佳通道密度和间隔，以减少液滴粘附。在最佳设计下，VLD的汗液传输率远高于人体轻微运动时的传输率。VLD还展示了良好的透气性、稳定性和一致的汗液传输能力，即使在长期使用后也能保持高传输率，远超人体运动时的出汗率

图 2：渗透性电极和 VLD 的特性

HLD 的特征

HLD的单向汗液传输能力得益于精心设计的梯度亲水微柱和力学设计。在PDMS微柱上涂覆的PVA和二氧化硅纳米颗粒复合材料赋予其持久的亲水性。这些微柱均匀分布，通过十字形支撑增强了抗压能力。有限元分析确认了支撑结构的效果，透气性评估表明，最佳支撑间隔为4mm。微柱的排列和间距对汗液传输率有重要影响，最佳行间距设定为100μm以优化传输效率和击穿距离。

对PDMS进行PVA/SiO2复合涂层处理提高了其超亲水性，进而增强了HLD的汗液迁移率。涂层的超亲水性在30天内保持稳定，实验证明接触角越小，迁移率越高。微柱高度是另一个关键因素，但需平衡迁移率和结构稳定性。微柱的直径调整对优化汗液排放效率至关重要，最优参数为直径50μm和高度100μm，这一配置在长期使用和汗液冲洗下显示出稳定的传输性能。

3D LD 的特性

通过在环形亲水性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物中插入，实现了与VLD和HLD集成的三维LD，该织物既是粘合层，又是汗液收集器。三维LD展现了从皮肤向指定出口有效输送汗液的能力。有限元分析显示了其高效性，包括速度、流线、压力等值线及时空体积分数。与常用的PDMS基底比较，三维LD在模拟人工排汗模型中显示了更好的排汗性能，尤其在持续流动条件下。PDMS薄膜由于透气性和透水性较低，会形成圆顶状并导致汗液泄漏，而三维LD优异的渗透性能允许汗液和气体畅通无阻地输送，保持与人造皮肤的贴合接触。实验和有限元分析证明，三维LD在多种变形下能稳定传输汗液，且细胞毒性评估显示其具有良好的生物相容性。

图 3：HLD 和 3D LD 的特性

3D LD 的用户研究

在用户研究中，对不同可穿戴设备进行了综合评估，考察了其汗液/湿度管理对佩戴舒适度和设备性能的影响。包括贴合力、皮肤热舒适度评估和信号质量比较。通过测试商用ECG贴片、PDMS薄膜、VLD和3D LD，发现VLD和3D LD具有较好的贴合力和皮肤无刺激。长期佩戴测试显示VLD和3D LD对皮肤友好，没有引起刺激或炎症。透气性测试表明VLD和3D LD提供了更高的佩戴舒适性，特别是在进行体育活动时，由于其优异的透气性和透汗性，导致较低的皮肤温度升高。在测试生物信号采集时，与商用ECG和PDMS电极相比，基于3D LD的电极即使在运动和出汗情况下也能提供更稳定的信号，表明3D LD的透湿性有助于保持稳定的皮肤-电极接触

图 4：水分管理对穿着舒适度和设备性能的评估

集成系统级透汗电子设备

作者展示了3D LD技术在两种典型可穿戴电子设备中的应用：一种轻薄柔软的心电图监测系统和一个集成于纺织品的气象站，显示了其通用性和可扩展性。心电图监测仪采用可拆卸的磁性耦合设计，由蒸汽/汗液释放基板和柔性防水电路层组成，具备轻薄、柔软和可伸展的特点。该设备可固定在受试者胸部，心电图数据无线传输至智能手机，且在各种活动中表现出良好的信号稳定性和低热积累。利用磁性充电线为设备充电，支持长期心电图监测，包括心率、QT间期和心率变异性等参数的成功监测。

另一方面，作者开发了一种无电池、柔性、可渗透的纺织品集成电子设备，作为基于T恤的气象站，监测温度、湿度、UV指数、大气压和海拔。该设备利用近场通信技术将天气数据传输到移动设备，展示了其在户外活动中的实用性。这些应用展示了3D LD技术在提高可穿戴设备适应性和功能性方面的潜力。

图 5：透气、透汗的皮肤集成和纺织电子产品

小结

3D LD以其系统级透湿性和超越人体出汗率的性能，为医疗保健监测提供无缝、持续及舒适的体验。用户研究显示，即使在出汗条件下，3D LD也能维持稳定且舒适的皮肤-设备接触，其基于3D LD技术的心电监测设备相较传统设备在运动时显示更少的伪影，并能连续提供一周的可靠信号。3D LD技术展现了成为长期、用户友好的医疗保健监测可穿戴设备的潜力。提升其性能和扩大生产的关键在于优化功能材料、设备结构与制造技术。同时，开发可清洗、可回收的粘合剂底材，以增强设备的可持续性和成本效率。

来源：高分子科学前沿

香港城市大学于欣格Nature：不怕出汗！具有超强吸湿排汗功能的可穿戴电子！