日前，美國斯坦福大學崔屹教授提出了一種用於人工排汗皮膚（i-TRANS）的一體化三維親/疏水設計。在普通纖維纖芯材料的基礎上，採用聚二甲基硅氧烷（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納米纖維的額外幫助下，構建的i-TRANS能夠定向輸送「汗液」，而不會捕獲多餘的水分，並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（圖1）。這種模擬不僅為複製皮膚特性提供了新的見解，而且為出汗相關研究提供了合適的體外測試平台，極大地避免了來自「皮膚」層的不必要干擾。此外，便捷、快速和經濟的製備方法和廣泛的用途，可進一步促進其應用。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》。
研究者首先選擇由纖維素微細纖維組成的普通濾紙（Whatman No. 1）作為基材進行研究。在該工作中，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。「汗孔」（藍色）是親水的，並保留了水的輸送能力，而「非毛孔」區域（紅色）變成疏水的，阻止了多餘的水吸收（圖1c）。值得注意是，由於梯度潤濕性，「汗孔」的親水性梯度（從底部到頂部的親水性增加）有利於從底部到頂部表面的單向定向水傳輸。此外，只要水與「汗孔」接觸，纖維狀的芯吸通道使每個「汗孔」都易於激活，均勻出汗，不需要高壓或快速流速來克服拉普拉斯壓力差。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」並被運出以形成均勻的出汗，特別有利於微量的水（圖1d-e）。
研究者採用噴塗的方法對材料表面親疏水性進行改性（圖2a）。利用稀釋的聚二甲基硅氧烷（PDMS）進行噴塗。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，用於模擬汗水。研究者將樣品表面分為四個區域，分別表示為「底面無孔面積」（Bottom_Non-pore）、「頂面無孔面積」（Top_Non-pore）、「底面孔面積」（Bottom_Pore）和「頂面孔面積」（Top_Pore）。由於添加了PDMS，Bottom_Non-pore 被修改為疏水性。此外，由於PDMS溶液從底部的毛細管傳輸，Top_Non-pore也變得疏水。然而，由於擴散梯度，Top_Non-pore的疏水性低於Bottom_Non-pore。至於噴塗過程中被掩膜覆蓋的Bottom_Pore和Top_Pore，PDMS溶液在己烷完全蒸發之前不可避免地橫向擴散到這些區域。然而，親水性纖維素纖維網絡的芯吸能力得以保持。值得注意的是，Top_Pore保持比Bottom_Pore更親水，因為這樣的區域獲得了最少的 PDMS 溶液擴散。因此，這種親水性的梯度賦予i-TRANS從下到上的定向水傳輸能力。
通過對比可以看出PDMS覆蓋了Bottom_Non-pore（圖2b）中的纖維表面，使表面形態變得更光滑並填充了一些小孔。Top_Non-pore可以看到由於PDMS 改性導致的類似形態變化，但考慮到更粗糙的纖維表面，可以看到更少的PDMS 附着在纖維表面，並且可以看到更多的孔（圖2c）。另一方面，Bottom_Pore（圖2d）和Top_Pore（圖2e）沒有明顯的形態變化。此外，能量色散光譜被用於繪製四個區域中的硅（Si）元素分布圖。應用於Bottom_Non-pore、Top_Non-pore、Bottom_Pore和Top_Pore的PDMS量減少（圖2f）。並且，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（圖2g）。儘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（圖2h-i）。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。
對於普通的芯吸層來說（圖3b），其強大的芯吸能力使其能夠吸收水分並在一定區域內散布成橢圓形。隨着水量增加，芯吸層變得完全濕潤。然而，這並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（圖3c）。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」（圖3a），並被輸送到外表面形成均勻的「汗」液滴，這是由於疏水性非孔隙區域對水的禁止，僅能通過「汗孔」限制水的吸收和運輸。更大體積的水更容易實現均勻的「出汗」。
此外，研究者在人造皮膚測試設備上使用i-TRANS和正常的「皮膚排汗」芯吸層比較了同一塊棉織物的測量值（圖4a）。在這樣的測試中，i-TRANS作為一種傳遞介質有效地輸送「汗水」，模仿了人體皮膚的工作機制。因此，水量增加主要發生在棉織物中，而不在i-TRANS中（圖4b）。在與汗液相關的熱評估中，i-TRANS可以很好地模擬皮膚排汗，並且不會對測試材料造成不必要的干擾（圖4c）。
小結：研究者報道了一種用於模擬人體皮膚排汗的新型一體化三維親/疏水設計。對普通纖維芯吸材料進行選擇性表面改性的設計，以在橫向和垂直方向上產生親水/疏水對比和梯度，使i-TRANS能夠高效、均勻地定向輸送「汗水」。研究者相信這項工作為皮膚出汗的模擬提供了新的見解，可以很容易地應用於各種測試場景，並加速相關行業的發展。
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