皮肤是人类最大的器官，也是与周围环境接触的第一个界面，在保护、感觉、绝缘和热调节方面发挥着重要作用。近年来，人工皮肤的再生性能在机器人、医药、纺织等各个领域都有重要的研究意义。其中，排汗作为人体皮肤最重要的温度调节功能之一，越来越受到人们的关注，但如何实现理想的模拟排汗人工皮肤仍然是一个挑战。
日前，美国斯坦福大学崔屹教授提出了一种用于人工排汗皮肤（i-TRANS）的一体化三维亲/疏水设计。在普通纤维纤芯材料的基础上，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行梯度选择性表面改性，从而在横向和纵向上形成亲疏水性对比。在底层亲水尼龙6纳米纤维的额外帮助下，构建的i-TRANS能够定向输送“汗液”，而不会捕获多余的水分，并在顶部表面实现均匀的汗滴“分泌”，很好地模拟了人类皮肤排汗的情况（图1）。这种模拟不仅为复制皮肤特性提供了新的见解，而且为出汗相关研究提供了合适的体外测试平台，极大地避免了来自“皮肤”层的不必要干扰。此外，便捷、快速和经济的制备方法和广泛的用途，可进一步促进其应用。相关工作以“Integrated Three-dimensional Hydrophilicity/hydrophobicity Design for Artificial Sweating Skin (i-TRANS) Mimicking Human Body Perspiration”发表在《Advanced Materials》。
图1. 人工出汗皮肤（i-TRANS）三维亲疏水一体化设计概念
TRANS的设计
研究者首先选择由纤维素微细纤维组成的普通滤纸（Whatman No. 1）作为基材进行研究。在该工作中，相互连接的亲水性纤维网络形成分层多孔结构，使其成为一种理想的吸水材料，能够通过毛细效应有效地输水。因此通过选择性表面改性以改变纤维芯吸基材的表面特性。“汗孔”（蓝色）是亲水的，并保留了水的输送能力，而“非毛孔”区域（红色）变成疏水的，阻止了多余的水吸收（图1c）。值得注意是，由于梯度润湿性，“汗孔”的亲水性梯度（从底部到顶部的亲水性增加）有利于从底部到顶部表面的单向定向水传输。此外，只要水与“汗孔”接触，纤维状的芯吸通道使每个“汗孔”都易于激活，均匀出汗，不需要高压或快速流速来克服拉普拉斯压力差。此外，研究者还在微米级纤维层下方的最底部添加了一层薄的亲水性纳米纤维（NF）层以散布水。它进一步帮助水进入“汗孔”并被运出以形成均匀的出汗，特别有利于微量的水（图1d-e）。
图2. i-TRANS的制备及其表面性能表征
TRANS的制备
研究者采用喷涂的方法对材料表面亲疏水性进行改性（图2a）。利用稀释的聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行喷涂。将带有“汗孔”覆盖物的蒙板安装在滤纸上。蒙面一侧将用作底面，而另一侧是顶面，用于模拟汗水。研究者将样品表面分为四个区域，分别表示为“底面无孔面积”（Bottom_Non-pore）、“顶面无孔面积”（Top_Non-pore）、“底面孔面积”（Bottom_Pore）和“顶面孔面积”（Top_Pore）。由于添加了PDMS，Bottom_Non-pore 被修改为疏水性。此外，由于PDMS溶液从底部的毛细管传输，Top_Non-pore也变得疏水。然而，由于扩散梯度，Top_Non-pore的疏水性低于Bottom_Non-pore。至于喷涂过程中被掩膜覆盖的Bottom_Pore和Top_Pore，PDMS溶液在己烷完全蒸发之前不可避免地横向扩散到这些区域。然而，亲水性纤维素纤维网络的芯吸能力得以保持。值得注意的是，Top_Pore保持比Bottom_Pore更亲水，因为这样的区域获得了最少的 PDMS 溶液扩散。因此，这种亲水性的梯度赋予i-TRANS从下到上的定向水传输能力。
三维疏水性/亲水性对比表征
通过对比可以看出PDMS覆盖了Bottom_Non-pore（图2b）中的纤维表面，使表面形态变得更光滑并填充了一些小孔。Top_Non-pore可以看到由于PDMS 改性导致的类似形态变化，但考虑到更粗糙的纤维表面，可以看到更少的PDMS 附着在纤维表面，并且可以看到更多的孔（图2c）。另一方面，Bottom_Pore（图2d）和Top_Pore（图2e）没有明显的形态变化。此外，能量色散光谱被用于绘制四个区域中的硅（Si）元素分布图。应用于Bottom_Non-pore、Top_Non-pore、Bottom_Pore和Top_Pore的PDMS量减少（图2f）。并且，表面改性变化导致“汗孔”和非孔部分在垂直方向上的亲水性/疏水性梯度（图2g）。尽管这些区域没有表现出非常强的亲水性，但由纤维构成的多孔结构产生的毛细效应起到了水润湿的作用。尼龙6纳米纤维被压入纤维素纤维之间的孔隙以及纤维素纤维骨架中，形成相互连接的亲水纳米纤维网络（图2h-i）。因此，i-TRANS底部在尼龙6纳米纤维薄膜的帮助下实现了良好的亲水性，可以铺展水。
图3. 模拟出汗条件下的性能评估
模拟出汗条件下i-TRANS性能评估
对于普通的芯吸层来说（图3b），其强大的芯吸能力使其能够吸收水分并在一定区域内散布成椭圆形。随着水量增加，芯吸层变得完全湿润。然而，这并不是真正的皮肤在产生汗水时的表现。与芯吸材料不同，多孔亲水PET膜根本不吸水（图3c）。当放置在一定量的水面上时，水分布在更有限的区域，无法实现均匀的“出汗”。即使下方有兼容的储水器和压力供应装置，均匀的“汗孔”激活也是艰巨的。相比之下，即使是极少量的水（0.05 mL）也足以占据i-TRANS上几乎所有的“汗孔”（图3a），并被输送到外表面形成均匀的“汗”液滴，这是由于疏水性非孔隙区域对水的禁止，仅能通过“汗孔”限制水的吸收和运输。更大体积的水更容易实现均匀的“出汗”。
图4. 纺织品测试场景中的演示
纺织品测试场景中的演示
此外，研究者在人造皮肤测试设备上使用i-TRANS和正常的“皮肤排汗”芯吸层比较了同一块棉织物的测量值（图4a）。在这样的测试中，i-TRANS作为一种传递介质有效地输送“汗水”，模仿了人体皮肤的工作机制。因此，水量增加主要发生在棉织物中，而不在i-TRANS中（图4b）。在与汗液相关的热评估中，i-TRANS可以很好地模拟皮肤排汗，并且不会对测试材料造成不必要的干扰（图4c）。
小结：研究者报道了一种用于模拟人体皮肤排汗的新型一体化三维亲/疏水设计。对普通纤维芯吸材料进行选择性表面改性的设计，以在横向和垂直方向上产生亲水/疏水对比和梯度，使i-TRANS能够高效、均匀地定向输送“汗水”。研究者相信这项工作为皮肤出汗的模拟提供了新的见解，可以很容易地应用于各种测试场景，并加速相关行业的发展。
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