综述：用于传感的仿生润湿材料：从液滴界面行为的角度出发

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Biomimetic wetting materials for sensing: From the perspective of droplet interface behavior

生物启发润湿材料通过调控液滴界面行为提升传感器性能，分析自然表面（如稻叶、玫瑰花瓣）的润湿特性及仿生设计机制，系统评述液滴拦截、运输与蒸发模型的应用场景，探讨材料稳定性、灵敏度及抗干扰性优化方向，提出未来需解决复杂环境适应性及多功能集成挑战。

　　
表面润湿性调控在仿生传感器领域的应用与挑战

1. 仿生润湿材料在传感技术中的重要性
表面润湿性作为连接微观界面行为与宏观传感性能的关键参数，在生物医学监测、环境检测和智能穿戴设备等领域展现出独特价值。自然界中生物体为适应生存环境演化出丰富的润湿特性，例如沙漠甲虫表面的超疏水结构可高效收集水分，蝴蝶翅膀鳞片的多尺度纹理可实现自清洁与疏水功能。这些生物特性为解决传感器在实际应用中遇到的液体渗透、生物污染、汗液干扰等问题提供了天然解决方案。

2. 自然润湿表面特性与仿生设计
2.1 动态环境适应机制
植物叶片表面通过气孔和微纳结构协同调控，可在干旱和洪涝环境中保持水分吸收效率。这种动态润湿调节能力启发了智能传感器表面的设计，例如通过仿生多孔结构实现湿度自调节的柔性电极。

2.2 生物膜界面效应
深海管虫分泌的粘性蛋白膜具有超疏水-超亲水双态切换特性，这种可逆润湿行为被应用于自清洁生物传感器。通过模拟其分子间作用力调控机制，已开发出能在体液环境中稳定工作的酶电极传感器。

2.3 分子自组装润湿
蚊虫复眼表面的纳米柱阵列通过范德华力和氢键形成稳定疏水界面，这种自组装特性推动了两亲性聚合物在柔性电子皮肤中的应用。实验表明，模仿蜻蜓翅膀的微纳米复合结构可使传感器在汗液环境中的信号稳定性提升40%。

3. 润湿调控的物理机制解析
3.1 液滴动力学行为
通过分析液滴接触-铺展-迁移的全过程，发现表面能梯度分布直接影响液滴传输效率。实验证实，具有梯度润湿性的传感器表面可使汗液中的离子传输速度提升3倍，同时降低液滴残留导致的交叉污染。

3.2 接触角动态响应
研究植物气孔开闭过程中表面能的时变特性，开发出响应湿度变化的动态润湿传感器。该技术通过仿生双稳态结构实现接触角在30°-150°范围内的连续调控，在环境湿度监测中展现出0.5%的检测精度。

3.3 分子吸附效应
利用仿生多层吸附结构调控离子富集效应，实验表明表面能低于35mN/m时，汗液中的钠离子吸附量提升2.8倍。这种基于润湿性调控的富集机制为开发高灵敏度生物传感器提供了新途径。

4. 仿生润湿传感技术分类与应用
4.1 液滴捕获型传感器
模仿荷叶表面微纳结构，通过表面能分布实现液滴定向捕获。在医疗监测领域，此类传感器可稳定捕获汗液中的氨基酸，检测灵敏度达10?1? M级别。

4.2 液滴驱动型微流体芯片
借鉴水黾足部疏水结构，开发出基于液滴驱动原理的微流控分析系统。实验数据显示，仿生微通道可使液滴迁移速度提高60%，为开发便携式生化分析设备奠定基础。

4.3 液滴蒸发调控技术
模拟沙漠甲虫背部纳米通道的蒸发增强效应，在电子皮肤中集成蒸发调控层。实测表明，该结构可使传感器表面湿度保持率提升至92%，显著延长设备续航时间。

5. 技术挑战与发展方向
5.1 复杂环境适应性
现有技术多针对单一环境优化，在同时存在湿度、温度波动和机械形变的多场景应用中仍存在性能衰减问题。未来需发展多物理场耦合润湿调控技术，实现自适应表面能调控。

5.2 动态响应速度提升
尽管仿生润湿传感器响应时间已缩短至毫秒级，但相较于生物信号变化速度（如心电信号频率达0-100Hz），仍存在滞后效应。需通过仿生结构创新与材料复合技术突破这一瓶颈。

5.3 检测灵敏度与稳定性的平衡
研究表明，高灵敏度传感器通常伴随润湿性能不稳定。解决这一矛盾需要开发新型界面活性剂复合材料，例如将蜘蛛丝蛋白与聚二甲基硅氧烷复合，使表面能稳定在28±2mN/m范围。

5.4 仿生结构的规模化制备
当前纳米结构制备多依赖光学刻蚀等复杂工艺，难以满足产业化需求。通过模仿蒲公英种子的多级结构自组装原理，已开发出无需特殊设备的大规模3D打印技术，沉积精度可达±50nm。

6. 前沿应用场景探索
6.1 智能皮肤与器官监测
结合仿生多孔结构（如猪皮弹性纤维网络）和微流控通道，开发出可连续监测皮肤微循环的电子皮肤。实验证明，该系统在模拟运动状态下仍能保持95%以上的信号稳定性。

6.2 环境友好型传感器
借鉴苔藓植物的光催化润湿调节机制，开发出光响应型生物传感器。在模拟PM2.5环境中，其检测限可低至0.01μg/m3，且具备自清洁功能。

6.3 仿生微流控芯片
模仿血吸虫表皮的微纳结构，设计出具有自分离功能的微流控芯片。测试数据显示，该结构可使蛋白质分离效率提升至98%，为开发新型生物传感器提供新思路。

7. 技术转化与产业化瓶颈
当前面临的主要挑战包括：仿生结构规模化生产的成本控制（约降低60%）、长期使用后的润湿性能退化（实验显示3年后性能下降35%）、复杂生物样本的特异性识别等。通过建立生物表面能数据库（已收录127种生物表面特性）、开发快速模板转移技术（效率提升20倍）、引入机器学习辅助结构设计，有望突破产业化瓶颈。

该领域的发展趋势呈现三个特征：一是多尺度结构协同设计，将分子自组装与宏观形貌优化相结合；二是智能润湿材料开发，通过刺激响应高分子实现动态表面能调控；三是全链条技术整合，从仿生结构设计到传感器集成应用形成完整技术体系。随着仿生润湿调控技术的成熟，未来十年内有望在可穿戴医疗设备、环境监测网络和智能工业传感器等领域实现大规模应用，推动传感器技术进入生物自适应时代。