近日，厦门大学航空航天学院郑高峰教授团队采用熔融静电纺丝技术可控地构建了疏水热塑性聚氨酯（TPU）柔性微纤维网作为汗液采样层，实现比色汗液传感器的按需检测。通过精确有序地沉积具有不同孔径和堆积层数的TPU微纤维网，实现对不同水量的门控；同时，通过运动标定实验确定了TPU网格的最佳参数，大大提高了比色汗液传感器的使用效率（22倍）和稳定性（418%），大幅提升了可穿戴汗传感器在剧烈运动中的舒适性和适用性。相关工作以 “Melt Electrowriting Ordered TPU Microfibrous Mesh for On-Demand Colorimetric Wearable Sweat Detection” 为题发表于国际重要期刊《IEEE Sensors Journal》（影响因子4.325，JCR升级版2区，中国仪器仪表学会推荐T1期刊）。
图1. 熔融静电纺丝设备及制备过程
研究者通过调整电纺参数（电压、针尖到收集板距离、平台位移速率、供气速率）消除了TPU射流在电场下的螺旋鞭动过程，实现了精确定点直线沉积（图1）。随后，研究了纤维直写网格孔径与堆叠层数对所制备TPU微纤维网沉积形貌的影响。电纺参数对TPU微纤维网的形貌有重大的影响，若是参数调整不当，纤维将因电场力作用产生不稳定的鞭动，呈现混乱的排布（图2a），当电纺参数合适，且孔径为100 μm以上（避免已沉积纤维对电场产生的影响）时，TPU纤维能够有序稳定地沉积（图2b）。堆叠层数过高时，已沉积纤维将屏蔽电场，使得TPU纤维无法正常沉积：当堆叠层数为5层时，开始出现少量偏离堆叠轨迹的纤维（图3a）；当层数进一步提升至6层，最后堆积的纤维呈现混乱的形态（图3b），因此，堆叠层数被控制为五层及以下。优化后，TPU微纤维网的厚度更加均匀（表1），均匀度提升了359%，这也证明了优化电纺参数实现了纤维的有序可控堆叠。此外，所制备的TPU微纤维网具有很强的弹性，能够轻易地折叠和无损恢复（图5），具有很好的贴肤性，这是实现稳定汗液检测过程的保证。
图2. 电纺参数与孔径优化前后的TPU微纤维网电镜图
图3. 电纺堆叠层数分别为5和6层的TPU微纤维网电镜图
表1. TPU微纤维网的厚度
图4. TPU微纤维网折叠和恢复的图像
随后，研究了基于TPU微纤维网的汗液传感器液体门控能力。研究者通过将TPU微纤维网（作为汗液采样层，即贴肤侧）与亲水试纸结合构建具有液体定向传输能力的汗液传感器，其原理为：当汗液较少而不足以突破疏水性采样层时，亲水试纸无法接触汗液，检测过程无法启动；当汗液增多突破采样层时，亲水试纸得以接触汗液，启动检测过程（图5）。这里的关键在于，汗液采样层需要确保孔径和厚度的均匀，从而保证稳定的液体门控，否则汗液将优先突破采样层上的薄弱处，具有很大的不确定性，极易导致无效检测。对TPU微纤维网上的五个点进行了水突破压力测试，有序堆叠的微纤维网的突破压力更小，仅为0.26 mmH2O，而无序堆叠的微纤维网高达2.88 mmH2O（表2），可见，有序堆叠组具有更稳定的液体门控性能。随后，研究了堆叠层数和孔径与突破压力的关系：堆叠层数与突破压力呈正相关，而孔径与突破压力呈负相关（图6），这为之后的按需检测提供了基础，可以根据调控孔径和堆叠层数实现对不同水量的门控。最后，进行真人跑步实验以检验所制备汗液传感器的按需汗液检测能力。通过运动标定实验确定了每种制备参数的汗液传感器生效时间，以运动志愿者所感受疲倦的时间（45 min）作为期望值，选取最佳TPU微纤维网。当孔径为300 μm且堆叠层数为3层时，生效时间为44.6min，最接近期望时间，故选取该组微纤维网进行后续的验证（表3）。有序微纤维网平均生效时间为44.38 min，十分接近期望时间（45 min），平均误差仅为1.1 min；而无序微纤维网平均生效时间为35.76 min，远离期望时间，且平均误差高达4.6 min；仅含有试纸时，平均生效时间为2.42 min，远远少于期望时间（表4）。因此，制备的最佳汗液传感器可以在推荐的运动量达到标准后启动及时检测。当人体运动实验校准的汗液传感器生效时，这意味着运动量已达到标准。根据检测结果，运动员可以安排继续自己锻炼或休息，以确保人身安全。
图5. 液体门控过程示意图
表2. TPU微纤维网的水突破压力
图6. TPU微纤维网堆叠层数和孔径与水突破压力的关系
表3. 基于各组TPU微纤维网的汗液传感器检测生效时间
表4. 不同类型汗液传感器的生效时间
小结：研究了熔融电纺TPU微纤维网的可控制备过程，探讨了其在比色分析法织物基汗液传感器的应用潜力。可控的熔融电纺制备策略大大提高了TPU微纤维网的孔径均匀性，实现了稳定的液体门控，提高了汗液传感器的影响时间，增强了汗液传感器比色分析的稳定性。优化后的TPU微纤维网比未优化后的稳定性提高418%。此外，其高稳定性可以保证所制备的汗液传感器在运行测试校准后具有准确的影响时间。同时，TPU微纤维网的高度柔性和弹性将带来无与伦比的舒适性和皮肤友好性，进一步保证检测稳定性。这种TPU柔性微纤维网的可控制备方法有助于促进汗液传感器的发展，更好地为运动爱好者服务。
原文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9864139