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港城大胡金蓮教授課題組在用于人體皮膚濕熱管理與防護的靜電紡絲納米纖維膜領域取得系列研究進展

2023-09-06 來源：高分子科技

Advanced Fiber Materials：生物啟發(fā)單層Janus織用于綜合個人冷卻管

Janus織物定向輸水由于其優(yōu)異可行的個人制冷管理能力，取得了廣泛的進展，對節(jié)能減排和人體健康具有重要意義。然而，現(xiàn)有的用于定向輸水的Janus非對稱多層織物合成復雜，穩(wěn)定性差，仍然受到限制。

近日，受葉片角質層的成分分級結構的啟發(fā),香港城市大學胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人開發(fā)了一種單層Janus個人冷卻管理織物(JPCMF)。JPCMF不僅具有較強的定向體輸水能力，而且具有較高的非對稱輸水能力，其不對稱系數(shù)為1.49，水汽透射值為18.5 kg^-1 m^-2 D^-1，水分蒸發(fā)速率為0.735 g h^-1。重要的是，由于采用了一種新的靜電吸附輔助自粘策略，JPCMF具有優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性，可以抵抗磨損、剝落和拉傷。憑借這些特性，JPCMF在濕性皮膚上可以實現(xiàn)比棉織物更好的4.0°C個人冷卻管理效果。良好的生物相容性和無毒性也使JPCMF具有成為自抽吸敷料的潛力。我們的戰(zhàn)略應該為開發(fā)下一代智能多功能織物提供一種新的方法。

原文鏈接：Si Y, Shi S, Dong Z, et al. Bioinspired stable single-layer Janus fabric with directional water/moisture transport property for integrated personal cooling management[J]. Advanced Fiber Materials, 2023, 5(1): 138-153.https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-022-00200-4

Nano-Micro Letters：仿生全纖維定向吸濕電子皮膚

普通柔性電子器件的基材會抑制氣體和液體的滲透性不適合長期佩戴。紡織品與各種低成本快速制造策略相結合，被設計用于制造靈活、輕便、經濟高效、可滲透空氣和液體的柔性設備，且在單個設備中實現(xiàn)不同模態(tài)的傳感功能也是發(fā)展趨勢之一。

香港城市大學胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人發(fā)現(xiàn)，將單向導濕技術應用于電子皮膚之中同樣可以實現(xiàn)濕熱管理的目的。在這項研究中，他們設計了一種基于非均質纖維膜和導電MXene/CNTs電噴涂層的多層結構的仿生定向吸濕電子皮膚(DMWES)。通過設計親疏水差異明顯的表面能梯度和推拉效應，成功地實現(xiàn)了單向水分傳遞，可以自發(fā)地吸收皮膚上的汗液，最終實現(xiàn)人體皮膚濕熱管理的目的。與此同時，DMWES膜具有良好的壓阻傳感性能，以MXene/CNTs噴涂導電層的壓阻傳感器具有靈敏度高(最大靈敏度548.09 kPa^-1)，線性范圍寬，響應速度快，恢復時間短的特點。此外，基于DMWES的單電極摩擦納米發(fā)電機的面功率密度高達21.6 μW m^-2，具有運行超過5000次的良好循環(huán)穩(wěn)定性。此外，優(yōu)越的壓力傳感和摩擦電性能使DMWES能夠進行全方位的醫(yī)療保健傳感，包括壓阻效應監(jiān)測的生理脈搏，聲音信號以及摩擦電效應收集的步態(tài)信息等。

原文鏈接：

Zhi C, Shi S, Zhang S, et al. Bioinspired All-Fibrous Directional Moisture-Wicking Electronic Skins for Biomechanical Energy Harvesting and All-Range Health Sensing[J]. Nano-Micro Letters, 2023, 15(1): 60.

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01028-2

Materials Horizons：一種具有保暖性的超分子增強膜

在節(jié)能策略中，保持合理穩(wěn)定的體溫對人類的各種活動至關重要。然而，眾所周知，用作輻射反射器的類金屬材料嚴重限制了可穿戴性，從而給個人熱管理（PTM）系統(tǒng)帶來了巨大障礙。

在最新的研究中，香港城市大學胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人設計出了一種超分子增強膜(SupraEM)作為中紅外(MIR)反射器。通過在電紡混合納米纖維表面裝飾 MXene，開發(fā)出一種 SupraEM，作為用于體溫調節(jié)技術的中紅外反射器，從而展示了增強的被動保暖效果。合成的SupraEM具有精心設計的MXene納米片涂層結構，其中MXene層實現(xiàn)了低發(fā)射率以達到被動加熱效果，而MXene與納米纖維層之間的超分子相互作用減輕了其柔韌性和強度的下降，從而提高了穿戴的舒適性。由于氫鍵的形成，根據(jù)理論計算，混合納米纖維與 MXene 納米片之間的吸附能可以通過添加聚氨酯分子而得到有效提高。值得注意的是，通過在 PVDF&PU 基體表面裝飾一定濃度的 MXene，所得到的 PVDF&PU/MXene SupraEM 在 8-13 μm 的大氣窗口中表現(xiàn)出 0.246 的低輻射率，并顯示出其保暖能力所涉及的散熱障礙。因此，實時溫度測量和紅外熱圖像顯示，SupraEM 的升溫能力比沒有 MXene 裝飾的膜高 8 ?C，保暖能力比比我們的 SupraEM 厚三倍的傳統(tǒng)膜高 6.2 ?C。經加工的 SupraEM 的水蒸氣透過率（WVTR）為 4 11.60 kg m^-² day^-¹，機械性能得到改善，能夠承受 12MPa的拉伸應力和 82% 的伸長應變。這項工作表明，在不犧牲其溫度保持度的情況下，裝飾MXene的耐磨性，克服了困擾MXene作為PTM系統(tǒng)溫度調節(jié)材料的主要瓶頸。

原文鏈接：Lei L, Wang D, Shi S, et al. Toward Low-Emissivity Passive Heating: A Supramolecular-Enhanced Membrane with Warmth Retention[J]. Materials Horizons, 2023. DOI: 10.1039/d3mh00768e

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00768e

Advanced Materials：用于健康管理的仿生皮膚:出色的透氣性、原位傳感和大數(shù)據(jù)分析

開發(fā)智能可穿戴系統(tǒng)對人體健康管理具有重要意義。理想的健康監(jiān)測貼片應具有高透氣性、排濕功能、高靈敏度和舒適的用戶體驗等關鍵特性。然而，這樣一個包含所有這些功能的貼片很少被報道。

香港城市大學胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人利用先進的靜電紡絲技術，將仿生結構、納米焊接技術、柔性電路設計、多功能傳感功能和大數(shù)據(jù)分析相結合，開發(fā)了一種用于健康管理的智能仿生皮膚貼片。通過控制納米纖維的制備和構建仿生二級結構，得到的納米纖維膜與人體皮膚非常相似，具有優(yōu)異的透氣性、透濕性和單側排汗性能。此外，仿生貼片還具有對汗液代謝物(包括葡萄糖、乳酸和pH)的高精度信號采集能力;通過原位傳感電極和柔性電路設計，可以精確測量皮膚溫度、皮膚阻抗和肌電信號。所實現(xiàn)的智能仿生皮膚貼片在健康管理系統(tǒng)和康復工程管理中具有很大的應用潛力。值得一提的是，通過紅外相機成像，該仿生皮膚顯示出更好的熱輻射能力，比商品化電極溫度低約1.2℃。該智能仿生貼片的設計不僅為健康管理提供了很高的實用價值，而且對新一代可穿戴電子設備的開發(fā)也具有很大的理論價值。

原文鏈接：Shi S, Ming Y, Wu H, et al. A Bionic Skin for Health Management: Excellent Breathability, In‐Situ Sensing, and Big Data Analysis. Advanced Materials, 2023: 2306435.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306435

Small：基于共靜電紡絲-靜電噴涂策略用于極端環(huán)境的仿生分層多重保護膜

極端的自然環(huán)境會對人類健康造成極大的危害，甚至威脅到生命安全。具有多種防護功能的輕質透氣服裝具有很大的應用價值。防水透氣(W&B)靜電紡織物是一個極好的潛在選擇。然而，如何將多種保護功能以簡便的方式集成到納米纖維中并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在這里，香港城市大學胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人開發(fā)了一步共j靜電紡絲-靜電噴涂的策略來制備具有荷葉狀分層多尺度結構的超疏水多重保護膜(S-MPM)。靜電紡絲得到的二維納米纖維網絡可以牢固地錨定靜電噴涂得到的三維微納米粒子。其獨特的3D“磚墻模型”可以賦予S-MPM強大的物理和化學功能穩(wěn)定性，保護人體在雨天不被淋濕。特殊的高/低溫液體環(huán)境也無法穿透S-MPM的保護，防止對人體皮膚的傷害。更重要的是，即使是冰水（0℃）或者熱水（70℃）也無法破壞其穩(wěn)定的超疏水性，對人體皮膚造成傷害。即便是在寒冷氣候或火災等更極端的情況下，具有防冰/除冰和阻燃能力的S-MPMj將會成為人體的最后一道防線。這種S-MPM有可能引發(fā)下一代功能性服裝實際應用的革命。

原文鏈接： Si Y, Yang J, Wang D, et al. Bioinspired Hierarchical Multi‐Protective Membrane for Extreme Environments via Co‐Electrospinning‐Electrospray Strategy[J]. Small, 2023: 2304705.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202304705

胡金蓮（Hu Jinlian）教授課題組主頁：https://we4tcm.com/

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（責任編輯：xu）

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