基于CsPbBr3@HPβCD发光纳米纤维的高分辨率皮肤纹理复制技术及其在法医学和医学诊断中的应用

《Nature Communications》：Luminescent nanofibers for human skin textures photocopying

本研究针对当前皮肤成像技术硬件限制大、难以捕获微米级皮肤纹理细节的问题，开发了一种低成本、便携式纳米纤维成像技术（NFIT）。研究人员利用CsPbBr3@HPβCD发光纳米纤维，实现了原位、多区域皮肤成像，分辨率高达1450 dpi，相似度达93.24±4.6%。该技术无需化学预处理，在-50°C至+50°C极端温度和长期存储（Level 3≥81天）下保持稳定，支持3D皮肤纹理重建，为法医学、皮肤病学和再生医学提供了突破性解决方案。

　　

在法医学、皮肤病学和再生医学领域，精确复制人体皮肤细节一直是关键技术需求。然而，现有皮肤成像方法受硬件组件固有限制，特别是在捕获人体皮肤复杂的微米级纹理时面临巨大挑战。传统技术对稳定性、准确性和安全成像材料要求严格，使得现场分析变得困难。目前尚缺乏一种通用高分辨率皮肤成像技术结合数据分析系统，用于身份验证、法医学和刑事调查。

针对这些挑战，扬州大学天田团队开发了一种低成本（低于800美元）、便携式纳米纤维成像技术（NFIT），使用CsPbBr₃@HPβCD发光纳米纤维。这项技术通过独特的波长依赖性光致发光映射技术，利用微量汗液残留物，实现皮肤微表面形态的原位、多区域成像。与真实指纹三级特征数据相比，NFIT显示出显著的微米级成像相似性（93.24±4.6%），同时具有高分辨率指纹成像（1450 dpi）。该技术采用非接触成像模式，无需化学前/后处理，确保与DNA证据收集兼容，同时最小化化学干扰。

关键技术方法包括：通过研磨法合成CsPbBr₃@HPβCD纳米晶体；选择两亲性热塑性聚氨酯（TPU）作为电纺丝基质；使用手持微型电纺丝设备喷洒纳米纤维；通过扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行形态表征；采用温度依赖性光致发光光谱、原位PL映射和荧光寿命成像显微镜（FLIM）分析光物理性质；开发自研皮肤纹理处理分析程序进行3D模型重建。

指纹成像过程和形态表征

研究人员通过研磨法合成了CsPbBr₃@HPβCD纳米晶体，选择两亲性热塑性聚氨酯（TPU）作为电纺丝基质。使用手持微型电纺丝设备（长约10厘米）将CsPbBr₃@HPβCD纤维喷洒到样品上形成发光纳米纤维进行成像。实验显示，在10秒内即可高效获得高清Level 3指纹成像，清晰显示汗孔特征，包括孔大小、形状、位置、分布、频率和孔间距。

CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维对汗液组分的选择性光谱响应和化学相互作用

研究发现HPβCD增强了CsPbBr₃的光致发光（PL）强度，有效钝化了CsPbBr₃的缺陷。光谱分析显示，氯化物（NaCl、KCl、MgCl₂）引起PL峰蓝移，而葡萄糖在低浓度下增加PL强度。通过X射线光电子能谱（XPS）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和氢核磁共振（¹H-NMR）光谱进一步研究了化学相互作用机制。

光致发光表征和原位成像

温度依赖性PL分析显示，CsPbBr₃@HPβCD/葡萄糖复合物在350K仍保持可检测的PL信号，激子结合能最高（74.9 meV）。原位PL映射和FLIM分析能够可视化指纹中特定组分的空间分布，氯离子主要分布在汗孔周围的脊线外缘，而葡萄糖分布区域显示较强的发射强度和相对寿命。

NFIT的普适性、稳定性和无损性评估

实验证明NFIT可在锡箔、石英、铁、玻璃和塑料等各种常见基底上实现潜指纹可视化，即使在皮革和纸张上也能获得相对清晰的Level 2指纹成像。该技术在37天老化的潜指纹上仍能提供清晰的Level 3特征，成像稳定性突出（Level 3≥81天，Level 2≥108天）。在-50°C至+50°C极端温度范围内持续捕获清晰Level 3特征，同时成功扩展到整个手掌的纹理捕获。

便携式高分辨率指纹成像和数据分析系统

研究团队自主研发了微图像算法，集成便携式指纹成像设备和快速数据分析。该系统由手持微型电纺丝设备和智能手机组成，可在1小时内收集和存储100枚指纹，直接将大面积图像信息转换为灰度值，生成2D/3D图像进行快速可视化和比较。

集成NFIT系统用于身体皮肤复印和3D模型构建

NFIT系统实现了从额头、腹部、手背和脚底等不同身体区域皮肤纹理的快速、高精度复印，5分钟内持续提供高清皮肤纹理图像。即使在手背等汗液分泌最少的区域，系统也能生成3D模型，展示了卓越的灵敏度和适应性。

研究结论表明，基于CsPbBr₃@HPβCD发光纳米纤维的NFIT实现了人体皮肤纹理的实时、多维度、多区域成像，相似度达93.24±4.6%，支持大面积成像并在极端温度下保持高分辨率图像质量。除捕获详细2D皮肤表面特征外，NFIT促进了高精度3D皮肤形态模型的构建，为生物识别安全系统提供了增强的指纹和掌纹识别准确性。这些数据作为生物学和人类学教育和研究的宝贵资源，同时推进了个性化医疗和皮肤病学发展。该技术方案在人体皮肤复印领域设立了精度、安全性和可用性方面的基准，解锁了跨领域的变革性应用。

这项发表于《Nature Communications》的研究为法医学分析、皮肤病学评估和个性化医疗提供了变革性解决方案，重新定义了高分辨率皮肤成像和3D建模的可能性。