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      1. 2016年11月11日 星期五 09:15:33
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        一種用于模擬人體皮膚排汗的新型一體化三維親/疏水設計

        發表時間:2022/8/30

        皮膚是人類最大的器官,也是與周圍環境接觸的第一個界面,在保護、感覺、絕緣和熱調節方面發揮著重要作用。近年來,人工皮膚的再生性能在機器人、醫藥、紡織等各個領域都有重要的研究意義。其中,排汗作為人體皮膚最重要的溫度調節功能之一,越來越受到人們的關注,但如何實現理想的模擬排汗人工皮膚仍然是一個挑戰。

        近期,美國斯坦福大學崔屹教授團隊提出了一種用于模擬人體皮膚排汗(i-TRANS)的新型一體化三維親/疏水設計。在普通纖維纖芯材料的基礎上,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)進行梯度選擇性表面改性,從而在橫向和縱向上形成親疏水性對比。在底層親水尼龍6納米纖維的幫助下,構建的i-TRANS能夠定向輸送“汗液”,而不會捕獲多余的水分,并在頂部表面實現均勻的汗滴“分泌”,很好地模擬了人類皮膚排汗的情況。



        i-TRANS的設計

        研究人員首先選擇由纖維素微細纖維組成的普通濾紙作為基材,相互連接的親水性纖維網絡形成分層多孔結構,使其成為一種理想的吸水材料,能夠通過毛細效應有效地輸水。因此通過選擇性表面改性以改變纖維芯吸基材的表面特性?!昂箍住保ㄋ{色)是親水的,并保留了水的輸送能力,而“非毛孔”區域(紅色)變成疏水的,阻止了多余的水吸收。此外,研究者還在微米級纖維層下方的最底部添加了一層薄的親水性納米纖維(NF)層以散布水,它進一步幫助水進入“汗孔”并被運出以形成均勻的出汗。



        i-TRANS的制備

        研究者采用噴涂的方法對材料表面親疏水性進行改性,利用稀釋的聚二甲基硅氧烷(PDMS)進行噴涂。將帶有“汗孔”覆蓋物的蒙板安裝在濾紙上。蒙面一側將用作底面,而另一側是頂面,用于模擬汗水。這種親水性的梯度賦予i-TRANS從下到上的定向水傳輸能力。


        三維疏水性/親水性對比表征

        表面改性變化導致“汗孔”和非孔部分在垂直方向上的親水性/疏水性梯度。盡管這些區域沒有表現出非常強的親水性,但由纖維構成的多孔結構產生的毛細效應起到了水潤濕的作用。尼龍6納米纖維被壓入纖維素纖維之間的孔隙以及纖維素纖維骨架中,形成相互連接的親水納米纖維網絡。因此,i-TRANS底部在尼龍6納米纖維薄膜的幫助下實現了良好的親水性,可以鋪展水。


        模擬出汗條件下i-TRANS性能評估

        對于普通的芯吸層來說,其強大的芯吸能力使其能夠吸收水分并在一定區域內散布成橢圓形。隨著水量增加,芯吸層變得完全濕潤。然而,這并不是真正的皮膚在產生汗水時的表現。與芯吸材料不同,多孔親水PET膜根本不吸水,當放置在一定量的水面上時,水分布在更有限的區域,無法實現均勻的“出汗”。即使下方有兼容的儲水器和壓力供應裝置,均勻的“汗孔”激活也是艱巨的。相比之下,即使是極少量的水(0.05 mL)也足以占據i-TRANS上幾乎所有的“汗孔”,并被輸送到外表面形成均勻的“汗”液滴。



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


        (來源:高分子科學前沿)


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