西北大學張欣、楊逢春團隊與西安建筑科技大學于莎教授合作，基于仿生攀巖魚皮膚的六邊形微結構，創新設計出Janus織物（HMJ-FT），并成功構建可穿戴電化學傳感器（HMJ-Sensor）。該傳感器通過六邊形微腔與垂直Janus通道協同作用，實現尿液高效定向傳輸，同時精準檢測多巴胺（DA）和尿酸（UA），且經彎折、摩擦、水洗及長期存儲后性能穩定。

背景介紹

隨著醫療保健需求的增長，可穿戴電化學傳感器憑借便攜性、非侵入性等優勢，成為生理信息監測的重要工具。尿液蘊含多DA和UA等關鍵生理指標，對神經疾病、痛風及腎臟問題的早期診斷至關重要。然而，現有傳感器因液體積聚和回流問題，導致檢測精度低且穩定性不足，限制了實際應用。Janus結構因利用表面能梯度或拉普拉斯壓力梯度實現無外能驅動的液體自傳輸而廣受關注。另外，為有效解決接觸界面液體積聚問題，液體的水平遷移同樣關鍵。水平遷移與垂直傳輸的結合可調整液體運動軌跡和方向，優化其沿路徑的分布，從而實現精準操控。因此，本研究受攀巖魚皮膚微六邊形結構啟發，開發HMJ-FT。該織物通過疏水側六邊形微腔實現液體水平遷移，結合垂直Janus通道的潤濕性差異，實現尿液定向傳輸，徹底阻斷回流。基于HMJ-FT構建的HMJ-Sensor可同步精準檢測多巴胺DA和UA，檢測限分別低至10.0770 nM和1.4100 nM，檢測范圍覆蓋0.0360–4000 μM DA和0.0050–6000 μM UA。傳感器經120天存儲存及多次彎折、摩擦、清洗后性能穩定，兼具優異生物相容性，為可穿戴醫療設備的實時監測與臨床應用提供了新的解決方案。

圖文解析

üHMJ - FT的創新結構設計及其液體單向運輸性能

圖1. HMJ - FT的組成與表征。(a) 面巾（FT）纖維上的疏水化處理過程以及疏水涂層的結構細節；(b) 表面形態。(I) 疏水表面和親水表面的數碼照片；(II - IV) 疏水側和親水側不同區域的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c) HMJ - FT（I）、無六邊形微腔（No-HM）區域（II）和六邊形微腔（HM）區域（III）的橫截面SEM圖像；(d) 傅里葉變換紅外光譜（FT - IR），用于研究疏水化處理的影響；(e) 無HM區域和HM區域的接觸角圖像；(f) 接觸角隨作用時間的變化情況。

圖2. 六邊形微腔（HM）的結構與效果。(a) 攀巖魚表面的六邊形微腔結構；(b) 六邊形微腔的液體收集過程；(c) 不同圖案區域的液滴擴散速率和集水效率；(d) HMJ - FT與Janus - FT的液體傳輸性能比較；(e) 液滴在HMJ - FT表面隨時間的擴散過程，分別從俯視圖和仰視圖角度拍攝；(f) 不同六邊形微腔間距下的突破壓力；(g) 水蒸發速率，(h) 不同六邊形微腔間距下的水汽透過率（WVTR）和透氣性。

圖3. HMJ - FT的實際應用性能。(a) 液滴在疏水側和親水側的單向傳輸機制；(b) HMJ - FT和Janus - FT在皮膚表面傳輸性能的數碼圖像；(c) 接觸角隨摩擦循環次數的變化。插圖展示了單次摩擦測試循環的過程；(d) 400次摩擦循環后的接觸角圖像；(e) 不同變形狀態下的耐久性測試；(f) HMJ - FT疏水側洗滌后的接觸角；(g) HMJ - FT細胞毒性測試的熒光圖像。

üHMJ - Sensor傳感器電極的表征及其電化學性能

圖4. PS/CB/CFT的合成與表征。(a) PS/CB/CFT制備的示意圖；(b) FT的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c) 碳化面巾（CFT）的SEM圖像；(d) CB/CFT的SEM圖像；(e) PS/CB/CFT的SEM圖像，以及它們的 (f) X射線衍射（XRD）圖譜；(g) 傅里葉變換紅外光譜（FT - IR）；(h) 電荷轉移電阻（Rct）和雙電層電容（Cdl）值 。

圖5. HMJ傳感器的電化學性能。(a) HMJ傳感器的結構；(b) （I）CFT、CB/CFT、PS/CFT和PS/CB/CFT在100 μM DA和UA中的差分脈沖伏安法（DPV）曲線；HMJ傳感器在（II）DA或（III）UA濃度變化而另一種化學物質濃度保持恒定情況下的DPV曲線；(c) HMJ傳感器在0.1M磷酸鹽緩沖液（PB，pH = 6.0）中，在0.25V和0.4V電位下，對不同濃度DA的電流響應；(d) 對不同濃度UA的電流響應；(e) HMJ傳感器與其他可穿戴傳感器電極材料的檢測濃度范圍和檢測限（LOD）對比；(f) 在相同測試條件下，使用三個相同電極，對PS/CB/CFT在0.1M PB中檢測DA的重現性進行的安培法測試；(g) 對PS/CB/CFT檢測UA重現性的安培法測試；(h) (i) HMJ傳感器對10 μM DA和10 μM UA的抗干擾測試，測試中加入了100μM可能存在干擾的物質。

ü可穿戴式HMJ - Sensor的耐用性與穿戴舒適性

圖6. HMJ傳感器的實際性能表征。(a) 集成傳感系統的組件。插圖展示了基于電路板的尿液檢測系統框架圖；(b) 用于分析的HMJ傳感器的數碼圖像；(c) 在彎曲和扭轉狀態下，對多巴胺（DA）和尿酸（UA）進行的耐久性測試；(d) 在環境溫度為28 ℃的戶外記錄的，HMJ傳感器和其他薄膜在皮膚上的溫度分布紅外熱像圖；(e) 在不同洗滌條件下對DA進行的耐久性測試；(f) 對UA進行的耐久性測試；(g) 三個相同的HMJ傳感器在10 μM DA和UA中的長期穩定性測試。

總結與展望

本研究巧妙運用仿生設計理念，成功解決了可穿戴尿液傳感器長期面臨的液體管理難題。由此誕生的HMJ-Sensor傳感器，在靈敏度、穩定性以及舒適性方面均表現卓越。其高靈敏度能夠精準檢測尿液中的關鍵成分，為健康監測提供精確數據；出色的穩定性確保了在各種復雜使用環境下，檢測結果依然可靠；而良好的舒適性則極大提升了用戶佩戴體驗，讓長期監測變得輕松便捷。

展望后續研究，團隊計劃進一步提升傳感器的集成度，使設備功能更加豐富多樣。同時，團隊還將積極探索HMJ-Sensor在腎病、痛風等疾病居家監測領域的應用潛力。通過實現對這些疾病相關指標的實時、持續監測，助力患者更有效地管理自身健康。

文獻詳情：

A Janus Fabric with Hexagonal Microcavity Channels for Efficient Urine Transport and Accurate Physiological Monitoring

Shijuan Song，Wenhao Zhou，Xinyue Wei，Huijun Zhao，Dan Hu，Jiaqing Liu，Xin Zhang*，Sha Yu*，Fengchun Yang*

ACS Sens.2025

https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03362

審核編輯 黃宇