《Gels》：Slide-Ring Microneedle Hydrogels for Sweat Monitoring Evaluated via a Benchtop Sweat Simulator
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可穿戴汗液传感器（wearable sweat sensors）是非侵入性生物标志物监测的有前景工具，但其发展受限于标准化测试平台缺乏及人体汗液变异性。尽管具有高溶胀能力的水凝胶（hydrogels）对汗液采集具有吸引力，但溶胀后机械耐受性差常限制其应用。为克
可穿戴汗液传感器（wearable sweat sensors）是非侵入性生物标志物监测的有前景工具，但其发展受限于标准化测试平台缺乏及人体汗液变异性。尽管具有高溶胀能力的水凝胶（hydrogels）对汗液采集具有吸引力，但溶胀后机械耐受性差常限制其应用。为克服该局限，该研究提出一种机械稳健、高溶胀性的水凝胶，其表面具有微针（MN），可通过毛细流体分散增强汗液吸收动力学而不发生微结构塌陷。该微针贴片整合了经聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具成型的亲水性共聚物网络，并以聚乙二醇-β-环糊精（PEG-β-cyclodextrin）基假聚轮烷（pseudopolyrotaxanes）作为可移动交联结点，以促进应力耗散和结构完整性。此外，研究人员开发了一种台式汗液模拟器（benchtop sweat simulator），通过可编程界面递送具有可调、可重现流速、组成和时间曲线的合成汗液。以比色法（colorimetric）pH监测作为概念验证，该水凝胶在模拟生物变异性下表现出优异性能，突出了材料设计在加速可穿戴生物传感器（wearable biosensor）转化中的关键作用。
研究背景与问题：汗液可连续、无创采集，含有电解质、代谢物、激素、蛋白质、药物和疾病相关分子，但可穿戴汗液传感仍受标准化测试平台缺乏、人体汗液变异性及传感界面材料选择限制。高溶胀水凝胶利于汗液采集，却常因溶胀后机械耐受性差而受限；表面微针（MN，microneedle）可借毛细作用分散汗液，但传统固定化学交联使高深宽比微针在脱模、水合和机械负载下易塌陷、弯曲或断裂。基于Ito提出的滑环（slide-ring）聚合物概念，研究人员假设以环糊精沿聚合物链滑动形成动态滑轮，可均匀耗散应力并保持微结构完整性，同时构建可重现的台式汗液模拟器以弥补人体试验变异大的不足。
研究开展与意义：研究人员制备了常规水凝胶和含PEG–β-CD基假聚轮烷（pseudopolyrotaxanes，环糊精穿线于聚合物链形成的超分子组装）的滑环水凝胶微针，开发了42微出口PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）汗液模拟器，并负载pH指示剂进行比色监测。结果表明滑环水凝胶在保持高溶胀能力的同时具有更好的溶胀后机械完整性和更快的早期吸收/响应，模拟器可提供可控、可重现的合成汗液递送；该工作将应力耗散微针材料与标准化台式测试平台结合，为可穿戴生物流体采样和传感器转化验证提供依据。
关键技术与方法：合成常规及含PEG–β-CD假聚轮烷的PVM/MA（poly(methyl vinyl ether-co-maleic anhydride)，聚甲基乙烯基醚-共-马来酸酐）-PAA（polyacrylic acid，聚丙烯酸）-PEG水凝胶，以PDMS模具分步离心填充和热固化制备微针；采用ATR-FTIR（attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy，衰减全反射傅里叶变换红外光谱）、2D NOESY NMR（two-dimensional nuclear Overhauser effect spectroscopy nuclear magnetic resonance，二维核Overhauser效应谱核磁共振）、凝胶分数、溶胀、SEM（scanning electron microscopy，扫描电子显微镜）、Parafilm M穿刺、拉伸及荧光吸收表征；软光刻制作42孔PDMS汗液腔并配注射泵；pH染料负载后用智能手机RGB（红绿蓝）读图；人工汗液为商业配方（BioChemaZone），并开展志愿者初步佩戴评估。
研究结果：2.1 材料合成与表征。2.1.1 材料优化：通过PEG比例、碱种类和去泡条件优化，并以2D NOESY NMR确认β-CD穿线PEG、ATR-FTIR确认酯键、凝胶分数显示滑环水凝胶达95%，说明环糊精被锚定且可形成固定与可移动结点。2.1.2 微针成型：通过分步加样、离心、40 °C中间干燥及最终固化，在PDMS模具中获得无缺陷微针。2.1.3 溶胀研究：通过水浸泡、冻干称重和显微观察，两种水凝胶5 min内可吸水达干重30倍；常规水凝胶最大溶胀更高但易脆裂，滑环水凝胶短时动力学和重复性更好且形状保持。2.1.4 SEM分析：通过SEM和ImageJ分析，滑环水凝胶孔径更窄更小（中位6.43 μm，IQR 4.51–7.74 μm；常规中位9.51 μm，IQR 5.38–14.3 μm），网络更均匀。2.1.5 机械测试：通过Parafilm M堆叠和拉伸测试，30 N下均穿至第4层、第3层成孔率100%，插入深度约390–520 μm；60 N无结构失效；滑环水凝胶水合后拉伸完整性更好。2.1.6 荧光吸收：通过anti-BSA-Alexa 647吸收实验，两者均高效吸收，常规水凝胶长时荧光更高但剥离后塌陷，滑环水凝胶保持微针形貌。2.2 汗液模拟器制备与表征：通过软光刻和注射泵，器件含42微出口、孔密度53.5 pores cm
?2，通道深1900 μm、半径120 μm，递液呈离散液滴且稳定可重现；相比针头递送更均匀，流速覆盖0.01–10 μL min
?1 cm
?2。2.3 超吸水水凝胶贴片汗液采样：通过比较吸收材料和封装结构，水凝胶维持较持久吸收；全封闭贴片采集效率85 ± 4%，高于开放46 ± 12%和半开放62 ± 6%，并在不同流速下稳定。2.4 汗液pH监测—水凝胶组成比较：通过染料负载和模拟汗暴露，滑环水凝胶尺寸增长及红通道变化更快，pH 4.5–8.5颜色可辨，15–20 min响应；溶胀速率随pH线性增加且滑环斜率更陡，最终红通道强度随pH升高而下降。2.5 汗液pH监测—临床诊断应用：通过模拟器递送pH 5.5、6.5、7.5、8.5人工汗，贴片在pH 6.0–7.0呈浅绿、pH 4.5–5.5呈黄橙、>7.5呈蓝色，红通道可定量，可区分生理与病理相关酸碱性。2.6 转化在体评估与操作考量：通过志愿者初步佩戴，贴片贴肤、耐弯折且无染料泄漏，志愿者认为舒适，初步未见不良反应；未进行标准化皮肤刺激评估，长期稳定性、现场智能手机光学采集标准化、按部位/汗率和运动强度调整采样时间（前臂中强度约1.5 h完成颜色转变）以及环境与个体差异影响仍需后续评估。
讨论总结与研究结论翻译：讨论部分表明该滑环微针水凝胶与台式汗液模拟器在材料机械稳健性、汗液采集和pH比色检测上具应用潜力，但转化仍需长期稳定性、标准化光学采集、采样时间适配及环境/个体差异评估。研究结论翻译：通过将PEG–β-CD假聚轮烷基序作为可移动交联结点引入PVM/MA-PAA-PEG共聚物网络，成功开发了超吸水微针水凝胶。这些滑环基序促进有效应力耗散，显著增强网络结构均匀性和溶胀后机械稳健性，同时保持高溶胀容量（>4000%）。所得水凝胶阵列具有稳健机械完整性，可成功插入皮肤模拟模型并在溶胀后保持原始几何形态。并行地，研究人员构建了可编程PDMS基汗液模拟器，通过多个微出口递送流速、时间曲线和组成高度可控且可重现的合成汗液，有效模拟人体生物变异性。集成系统在生理流速条件下实现快速高效汗液采集。作为概念验证，水凝胶贴片负载pH敏感染料用于视觉pH监测，表现出快速而明显的颜色响应。总体而言，该工作突出应力耗散微针水凝胶用于生物流体采样的潜力，并提供标准化、通用的台式平台以加速可穿戴生物传感器的转化与验证。
