湘潭大学王秀锋、唐楷为等《AFM》：LDH修饰Janus结构协同解决皮肤贴片排汗与抗菌难题

在长时间健康监测的应用场景中，可穿戴器件需应对排汗带来的多重挑战，诸如细菌滋生、粘附性能减退、信号传输质量降低以及用户佩戴不适等问题。当皮肤表面积聚过多汗水时，这不仅为细菌提供了繁殖的温床，增加了感染的风险，而且细菌的活跃还会干扰生物标记物的准确性，进一步削弱器件的耐用性和监测精度。目前，常见的抗菌手段大多依赖浸出性机制来抑制细菌生长，通过释放诸如抗生素、重金属离子等表面修饰的抗菌剂来达到杀菌效果，然而，该方法可能破坏皮肤微生物群的微妙平衡，带来潜在的健康风险。

基于此，湘潭大学材料科学与工程学院王秀锋教授、唐楷为博士与南方医科大学彭峰教授等团队开展合作，将原位生长的锌铝层状双氢氧化物纳米片(LDH)与Janus结构贴片相结合，使得贴片与皮肤长期接触时，不仅能够实现定向排汗和透气，还能通过纳米片边缘机械应力杀灭汗液中的细菌，同时不影响皮肤表面菌群平衡。这种新型皮肤贴片也能与汗液检测传感器无缝集成，实现多功能化。相关论文" Sweat-Permeable, Microbiota-Preserving, Mechanically Antibacterial Patch for Long-Term Interfacing with Perspiring Skin"发表在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上。

图1 新型LDH修饰Janus皮肤贴片工作机制与应用示意图

LDH修饰Janus贴片制备

这项工作中研究者们开发了一种新型Janus贴片，采用水热过程在棉布(CF)表面原位生长了锌铝层状双氢氧化物(ZnAl-LDH)，达到超亲水效果，同时通过激光雕刻制备了带有亲水微孔的疏水医用胶带，两者结合，形成Janus结构。液滴接触亲水的LDH-CF一侧时，液滴铺展，而不会渗透疏水的胶带一侧。当液滴接触疏水的胶带一侧，液滴将通过微孔向亲水的LDH-CF一侧转移，而不会在疏水侧留存。Janus结构的构建使得液滴单向输运得以实现，保证了疏水侧的干燥。具有Janus结构的贴片相比棉布，在皮肤表面排汗效果显著提升。

图2 Janus 贴片表征。(a) Janus结构示意图（左）及其液体二极管（右）功能示意图，以及超亲水LDH改性棉织物(CF)、带亲水孔的疏水双面胶的水接触角照片（中）。(b) 具有阵列微孔的双面胶带的激光雕刻制备示意图（上）、光学图像（中）和显微镜图像（下）；(c) 锥形孔内水滴上下边缘之间拉普拉斯压差的测定示意图；(d) 干燥与湿润贴片上水滴反重力迁移过程的光学图像；(e) 身体活动期间人体排汗速率图，包括本工作中Janus 贴片和文献报道的液体二极管装置的排汗速率；(f) 重力方向和反重力方向下LDH改性贴片在水干湿循环试验中的最大吸收能力；(g) 棉布与Janus贴片收集汗液情况对比。

LDH修饰Janus贴片抗菌行为及其机制

LDH修饰的Janus贴片在体外细菌实验中呈现出优异的广谱抗菌效果，6h内对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抗菌效率都超过了98%。抑菌环试验结果中，贴片样品周围不出现抑菌环，表明贴片不通过浸出性过程杀灭细菌。而无光的细菌培养条件以及相关活性氧检测，排除了光激发以及相关活性氧杀菌机制的可能性。从亲水侧与疏水侧滴加菌液培养的涂板结果差异证实了样品接触杀菌的机制。样品与细菌共培养时，从亲水的LDH-CF一侧滴加菌液，菌液铺展，疏水的胶带层阻隔作用使得细菌被迫与棉布纤维表面的LDH直接接触，LDH锋利的纳米片边缘在于细菌接触时，将对细菌细胞膜产生机械应力，破坏细菌细胞膜完整性，影响细菌代谢，从而使得细菌失活。抗菌效率可达100%，而从疏水的胶带一侧滴加菌液时，Janus结构的单向输运特性使得菌液得以向亲水侧渗透，极少的未与LDH直接接触的细菌能够在样品下的孔板表面存活，与样品涂板表面出现的少数菌落相对应。磷脂双分子层与LDH纳米片的动态作用过程的分子动力学模拟结果中，LDH通过边缘破坏细菌细胞膜的机制也得到了验证。贴片的Janus结构隔绝了LDH与皮肤，杀菌区域与皮肤分离，保护了皮肤表面菌群平衡不受影响，也规避了锌离子、铝离子的应用风险。

图3 LDH修饰贴片的抗菌行为及相关机制。(a) LDH修饰和未修饰贴片培养大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的涂板照片。从CF侧（左）、LDH-CF侧（中）和双面胶侧（右）滴加细菌溶液；(b) 各组样品贴片的抗菌效率；(c) 模拟汗液中LDH修饰贴片抑菌环试验结果；(d) LDH修饰和未修饰贴片上细菌的SEM图像；(e) LDH纳米片抑菌机理示意图；(f) 磷脂双分子层(POPG:POPE = 1:2)与Zn3Al-LDH之间动态相互作用的分子动力学模拟结果

LDH修饰Janus贴片与汗液传感器集成应用

将LDH修饰的Janus贴片用于人体皮肤，实验结果表明，贴片透气性良好，Janus结构单向液体输运性能使得贴片能够及时排汗，保证了贴片使用者的舒适性。同时，在长时间穿戴过程中，LDH修饰的Janus贴片表现出优异的抗菌性能（抗菌率超过99%），即使在有食物污染的情况下，抗菌效率依然可以超过96%。此外，LDH修饰的Janus贴片可以与纸基微流控汗液传感器集成，贴片可以成为连接人体皮肤与汗液传感器的桥梁，实验结果表明，集成与非集成的传感器检测结果没有显著性差异，而两者表面的菌落数呈现明显差别，LDH修饰的Janus贴片不会影响传感器对汗液中氯离子的检测结果，同时能够提供有效的抗菌保障。

图4 LDH改性Janus贴片人体皮肤上原位抗菌测试结果。(a)贴片及其相关组分的水蒸气渗透性；(b) 暴露于各种饮料污染物的LDH改性和未改性贴片的细菌菌落计数结果；(c) 25小时日常佩戴期间改性和未改性贴片上的细菌菌落随时间变化结果；(d) 8小时日常使用期间贴片各层（棉布、LDH-棉布和双面胶带）上的菌落变化结果；(e) 贴片与微流控汗液传感器集成截面图；(f)贴片集成与非集成纸基微流控汗液传感器uPAD中的氯化物浓度分析和抗菌功效测试结果

小 结

在这项工作中，研究者在棉织物上原位水热生长ZnAl-LDH，制备了一种Janus 皮肤贴片，实现了皮肤表面汗液向外定向输运，同时杀灭汗液中的细菌。这种贴片在可穿戴汗液检测中可以作为辅助性隔层，与汗液检测设备良好集成，有望促进长期健康监测领域的发展。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416129

此工作是该团队近期关于皮肤可贴合微流控与传感器件的最新进展之一。皮肤贴合类汗液微流控芯片已在健康监测和疾病诊断领域展露头角，即时分析需要该类器件具有含时机构，而体表可贴合则需要稳定的力学结构。近年来，该团队在可穿戴微流控器件制备与力学设计方面做了一系列工作。如发展了用于汗液定量分析的双流体纸基微流控技术( Adv. Sci., 2024, 11:2306023)，热反馈个性化水合管理的微流控技术( Lab Chip 2024, 24:356)和疏水阀结合单开口腔室的延时收集技术( Lab Chip 2020, 20:2635)。制备了体热与皮肤屏障监测的隐汗传感器( ACS nano 2023, 17:5588)、超疏水压力/应变传感器等( Chem. Eng. J. 2024, 488:150796； Chem. Eng. J. 2022, 432:134370； ACS AMI 2023, 15:38562)；利用板壳理论和能量法分析了微流控结构中的自塌顶行为( Int. J. Solids Struct. 2024, 292:112714; Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增强储液腔结构稳定性理论模型( Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。结合凸优化算法，提出了任意形状腔体自塌陷的普适理论( Inter. J. Solids Struct. 2022, 252:111821)。建立了适应于可穿戴器件的横观层状结构模型( Extreme Mech. Lett. 2023, 63:102046； Sci. China-Technol. Sci. 2023, 66:223)。此外，综述了表面润湿性在可穿戴健康监测与能源器件中的应用( Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，提出了汗液微流控闭环系统在时间采样和自反馈方面的潜在策略( npj Flex. Electron. 2023, 7:43)。长期欢迎材料、力学、物理等专业的博士和硕士研究生报考！

来源：高分子科学前沿

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