研究背景
汗液监测作为一种无创伤、多维度的生理指标分析技术，重塑了疾病诊断与健康管理的模式，并加速柔性电子与个性化医疗的发展。摩擦电式传感器由物质间的瞬间电子转移产生实时输出，为原位监测汗液变化提供了新途径。摩擦电式传感器还具备自供能和便携性的优势，拓展了可穿戴设备的功能边界，显著提升了汗液监测的时效性与可持续性。尽管摩擦电式传感器在可穿戴汗液监测方面展现出巨大潜力，但仍面临应用限制。人体在正常生理条件下分泌的汗液量有限，同时汗液还极易受环境因素的干扰。汗液传感的准确度和可靠度依赖于高效的汗液收集，同时最大限度地减少汗液污染与泄露。
文章概述
近日，聂双喜教授课题组受蝉翼启发，提出一种基于激光切割的水界面自组装策略，构筑了一种仿生异质润湿性摩擦电材料。汗液通过润湿梯度驱动力及拉普拉斯压力差驱动力的耦合作用，实现了从材料边缘区域向中心区域的快速收集。这种汗液收集机制显著富集了靶向分析物，使得传感信噪比（51 dB）超越目前主流的汗液传感器。通过集成离子选择透过膜和数据处理模块设计了便携性的可穿戴贴片，实现了盐离子种类筛分和远程无线监控。本研究为合理设计基于液体输送机制的汗液传感器开辟了一条道路。该项成果以题为“ Bioinspired Heterogeneous Wettability Triboelectric Sensors for Sweat Collection and Monitoring”发表在国际学术期刊《Advanced Materials》上。
原文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202509920
图文导读
- 仿生启发的异质润湿性摩擦电材料
蝉翼表面展现出精妙的异质润湿性分布特征：脉轮区域相对亲水，而翅室区域具有高度疏水性质。疏水的翅室避免水分附着并保持干燥，而亲水的脉轮则引导水分有序排出。蝉翼上异质润湿性的协同作用，确保蝉在雨天或潮湿环境中飞行不受干扰。受此自然结构启发，这项工作利用纤维素天然的亲水性构建了一种仿生异质润湿性摩擦电材料。液滴在润湿性梯度的驱动下由疏水区域流向亲水区域，并在拉普拉斯压力差作用下进一步向中心区域富集。
图1. 仿生启发的异质润湿性材料及传感器
2．激光切割的水界面自组装策略
激光切割的水界面自组装策略实现了精准定制溶液状态下的异质润湿性图案化。具体操作中，先使疏水二氧化硅颗粒均匀覆盖于纤维素悬浮液表面，随后利用高能量激光束照射液面导致水分瞬时蒸发，从而在溶液表面形成清晰可控的切割边界。这种快速蒸发液体的能力可满足复杂图案的设计需求。切割后溶液的流动性促进两侧液面重新被二氧化硅颗粒覆盖，激光切缝形成的缝隙不会自动愈合。通过简单的吸液操作，可沿切割线将部分液体取出，形成定制空腔区域的液体图案。通过综合比较分析，本研究所构建的材料在异质润湿性、界面结合强度和摩擦电输出等方面具有综合优势。
图2. 激光构造异质润湿性材料
3．异质润湿性摩擦电材料的结构特征
异质润湿性摩擦电材料的疏水区域采用氟化官能团修饰的二氧化硅与纤维素基材构成，而亲水区域由纤维素与MXene复合构建。疏水区域在经历10,000次摩擦循环后仍保持超疏水性，表明所构建的疏水区域具有优异的耐久性与稳定性。在多次重复拉伸过程中，界面结合保持稳定，几乎未发生脱层或断裂。实验结果支撑结论：所构筑的摩擦电材料具备良好的异质界面结合强度。
图3. 异质润湿性摩擦电材料的表征
4．摩擦电材料的液体输送行为
异质润湿性摩擦电材料通过设计楔形结构实现对液体的高效传输，其中楔形图案区域为亲水区，外围结构为疏水区。液滴的输运主要包括两个阶段：（1）由润湿性差异所产生的梯度驱动力，使液滴自疏水区域向亲水区域转移；（2）楔形结构产生的拉普拉斯压力梯度，进一步推动液滴从尖端向中心区域定向移动。进一步的有限元模拟结果显示，楔形图案表面显著提高了液滴的运输速率，与实验中观察到的运动行为高度一致。此外，异质润湿性摩擦电材料能够快速吸附并传输皮肤表面的汗液，再次验证了楔形结构在实现液滴高效导流方面的显著优势。
图4. 异质润湿性摩擦电材料的液体运输行为
5．传感器对汗液的响应能力
采用异质润湿性摩擦电材料作为正极摩擦层，聚全氟乙丙烯（FEP）薄膜作为负极摩擦层构建传感器。汗液中的盐离子可作为额外的电荷载体，从而有效增强传感器的输出。异质润湿性摩擦电材料具备的液体输运能力，可主动收集汗液，从而富集目标靶向物质，进一步增强传感器的传感准确度。与常规摩擦电材料相比，异质润湿性材料的表面电荷密度提升了162%，传感信噪比显著提高113%。传感器对不同盐离子的响应曲线拟合相关系数均高于0.98，且对K⁺的响应灵敏度明显高于Na⁺和Ca²⁺，表明其具备良好的区分能力。
图5. 传感器的自供电传感性能
6．可穿戴传感器的应用演示
汗液传感作为一种非侵入性、无创伤的生理指标检测方式，具有重要的应用价值。传感器可制备为皮肤贴片，直接贴敷于人体躯干，通过肢体运动驱动，实现感应信号的采集与输出。该贴片集成了离子选择性透过膜、摩擦纳米发电机和数字信号处理单元等关键组件。传感器具备轻量化、无源化的优势，尤其在慢性病管理、运动健康、远程医疗等场景具有应用潜力，有望为智能健康穿戴设备的发展提供新路径。
总结
研究开发了一种基于激光切割的水界面自组装策略，并成功制备了仿生的异质润湿性摩擦电材料。异质润湿性摩擦电材料具有液体运输功能，使得汗液被有效富集，从而提高了传感器的传感性能。结合离子选择透过膜和无线传感模块，分别实现了不同盐离子的筛选和无线监测功能，展现了该传感器作为轻量化、便携性可穿戴传感器的应用潜力。另外，该策略还适用于定制复杂形状的异质润湿性图案，有望为构建通用性液体控制平台提供有价值的参考。在后续的研究工作中，通过明智地调整异质润湿性材料的成分与图案，可以预见大量违反直觉的现象和有价值的应用。
