仿生水母触手微流控贴片实现低体积汗液多重生物标志物均等分布传感

本研究针对可穿戴汗液多重传感中样本体积需求大、分析物分布不均等问题，受腔肠动物触手结构启发，开发了一种基于PDMS-TiO2纳米复合涂层的楔形微流控贴片。该设计通过超亲水/超疏水图案化通道实现4μL低体积汗液的自发传输与均等分流，集成葡萄糖(GOx)、乳酸(LOx)、尿素和pH传感器，成功实现多靶标同步电化学检测。该技术为高通量、低样本需求的实时健康监测提供了新策略。

　　

随着可穿戴健康监测技术的快速发展，汗液作为一种富含生理信息的生物液体，已成为无创实时监测的重要载体。其成分包含电解质（如钠、钾）、代谢物（如葡萄糖、乳酸、尿素）以及激素等，能够反映人体的代谢状态、水合程度甚至应激水平。然而，现有汗液传感技术仍面临两大挑战：一是需要较大汗液体积（通常超过20μL）才能完成多重生物标志物分析，限制了在低出汗量场景的应用；二是难以实现分析物在多个传感区的均匀分布，导致检测结果一致性差。

为解决这些问题，印度理工学院坎普尔分校的Surya Manisha Inukonda与Siddhartha Panda团队受腔肠动物（如水母、海葵）触手结构的启发，开发了一种仿生微流控汗液传感贴片。该研究以《npj Flexible Electronics》为平台，通过仿生设计、材料创新与流体动力学模拟的结合，实现了仅需4μL汗液即可完成葡萄糖、乳酸、尿素和pH的四重同步检测，且分析物在传感区内分布均匀性显著提升。

研究采用了几项关键技术：首先利用丝网印刷技术在柔性PET基底上制备多电极系统；其次通过喷涂PDMS-TiO₂纳米复合材料并选择性紫外处理，构建超亲水/超疏水图案化楔形通道；最后通过酶固定化（葡萄糖氧化酶GOx、乳酸氧化酶LOx、脲酶）和导电聚苯胺修饰实现特异性传感功能。实验中使用人工汗液进行性能验证，并通过高速摄像与仿真模拟分析液滴分裂动力学。

表征结果

通过FESEM和AFM分析表明，PDMS-TiO₂涂层电极表面粗糙度显著增加（RMS粗糙度300-400 nm），接触角从160°（超疏水）降至0°（超亲水）。修饰酶后表面仍保持亲水性（接触角5.7°-7.9°），确保了汗液均匀铺展。电化学测试显示，涂层电极峰值电流从10μA升至35μA，且在2μL体积下即可获得稳定响应。

多分叉微通道中的液滴分裂

仿生多通道设计模拟腔肠动物触手的径向对称结构，楔形通道通过拉普拉斯压力梯度驱动液滴单向传输。高速摄像显示，液滴在2、4、6通道中均能均匀分裂并同步到达终端（传输时间分别为1.14 s、2.64 s、8.28 s）。仿真模拟进一步验证了液滴在父通道中加速、在分叉点减速并在子通道中匀速运动的动力学过程。

分裂效率评估

通过循环伏安法（CV）和接触角测量验证了分裂效率。CV响应在四通道终端高度一致，接触角校准表明收集效率达64%，且每个传感区仅需2μL即可获得稳定电化学信号。

各修饰电极的性能分析

葡萄糖检测采用计时电流法（工作电压0.6 V），在0.1-1 mM范围内线性良好（R²=0.938）；乳酸检测（0.4 V）在1-30 mM范围内线性相关（R²=0.925）；尿素通过脲酶水解引起pH变化，采用计时电位法检测（1-100 mM，R²=0.950）；pH传感利用聚苯胺导电性变化，在4-10范围内呈线性响应（R²=0.940）。

干扰测试

选择性实验表明，葡萄糖、乳酸和尿素传感器均对目标分析物具有接近100%选择性，相互间无显著交叉响应。

体内测试

贴片在人体皮肤弯曲状态下仍保持稳定的液滴传输性能。实际汗液检测显示葡萄糖浓度约0.15 mM，乳酸约20 mM，且在不同运动状态下信号无扰动。

与现有技术的比较

相较于既往研究，该工作首次实现了低至4μL的汗液体积要求与多通道均等分布，并通过仿生设计整合微流控与电极，避免了洁净间复杂工艺。

研究结论表明，该仿生微流控贴片通过独特的表面设计与流体控制机制，解决了多重汗液传感中的体积与分布均匀性问题。其低样本需求、高一致性与柔性可穿戴特性，为未来个性化健康监测设备的发展提供了重要技术支撑。同时，研究中建立的液滴分裂理论模型与仿真方法，为微流控系统的优化设计提供了通用框架。