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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(hù)的靜電紡絲納米纖維膜領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)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(gè)人冷卻管 



  Janus織物定向輸水由于其優(yōu)異可行的個(gè)人制冷管理能力，取得了廣泛的進(jìn)展，對(duì)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(duì)稱多層織物合成復(fù)雜，穩(wěn)定性差，仍然受到限制。


  近日，受葉片角質(zhì)層的成分分級(jí)結(jié)構(gòu)的啟發(fā),香港城市大學(xué)胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人開發(fā)了一種單層Janus個(gè)人冷卻管理織物(JPCMF)。JPCMF不僅具有較強(qiáng)的定向體輸水能力，而且具有較高的非對(duì)稱輸水能力，其不對(duì)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(shí)現(xiàn)比棉織物更好的4.0°C個(gè)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(yīng)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(huì)抑制氣體和液體的滲透性不適合長(zhǎng)期佩戴。紡織品與各種低成本快速制造策略相結(jié)合，被設(shè)計(jì)用于制造靈活、輕便、經(jīng)濟(jì)高效、可滲透空氣和液體的柔性設(shè)備，且在單個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)的傳感功能也是發(fā)展趨勢(shì)之一。


  香港城市大學(xué)胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人發(fā)現(xiàn)，將單向?qū)窦夹g(shù)應(yīng)用于電子皮膚之中同樣可以實(shí)現(xiàn)濕熱管理的目的。在這項(xiàng)研究中，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于非均質(zhì)纖維膜和導(dǎo)電MXene/CNTs電噴涂層的多層結(jié)構(gòu)的仿生定向吸濕電子皮膚(DMWES)。通過設(shè)計(jì)親疏水差異明顯的表面能梯度和推拉效應(yīng)，成功地實(shí)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(shí)現(xiàn)人體皮膚濕熱管理的目的。與此同時(shí)，DMWES膜具有良好的壓阻傳感性能，以MXene/CNTs噴涂導(dǎo)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(yīng)速度快，恢復(fù)時(shí)間短的特點(diǎn)。此外，基于DMWES的單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)的面功率密度高達(dá)21.6 μW m-2，具有運(yùn)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(jìn)行全方位的醫(yī)療保健傳感，包括壓阻效應(yīng)監(jiān)測(cè)的生理脈搏，聲音信號(hào)以及摩擦電效應(yīng)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(qiáng)膜 



  在節(jié)能策略中，保持合理穩(wěn)定的體溫對(duì)人類的各種活動(dòng)至關(guān)重要。然而，眾所周知，用作輻射反射器的類金屬材料嚴(yán)重限制了可穿戴性，從而給個(gè)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(xué)胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人設(shè)計(jì)出了一種超分子增強(qiáng)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(diào)節(jié)技術(shù)的中紅外反射器，從而展示了增強(qiáng)的被動(dòng)保暖效果。合成的SupraEM具有精心設(shè)計(jì)的MXene納米片涂層結(jié)構(gòu)，其中MXene層實(shí)現(xiàn)了低發(fā)射率以達(dá)到被動(dòng)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(qiáng)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(jì)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(shí)時(shí)溫度測(cè)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(jīng)加工的 SupraEM 的水蒸氣透過率（WVTR）為 4 11.60 kg m-2 day-1，機(jī)械性能得到改善，能夠承受 12MPa的拉伸應(yīng)力和 82% 的伸長(zhǎng)應(yīng)變。這項(xiàng)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(diào)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(duì)人體健康管理具有重要意義。理想的健康監(jiān)測(cè)貼片應(yīng)具有高透氣性、排濕功能、高靈敏度和舒適的用戶體驗(yàn)等關(guān)鍵特性。然而，這樣一個(gè)包含所有這些功能的貼片很少被報(bào)道。



  香港城市大學(xué)胡金蓮（Hu Jinlian）教授等人利用先進(jìn)的靜電紡絲技術(shù)，將仿生結(jié)構(gòu)、納米焊接技術(shù)、柔性電路設(shè)計(jì)、多功能傳感功能和大數(shù)據(jù)分析相結(jié)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(gòu)建仿生二級(jí)結(jié)構(gòu)，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(cè)排汗性能。此外，仿生貼片還具有對(duì)汗液代謝物(包括葡萄糖、乳酸和pH)的高精度信號(hào)采集能力;通過原位傳感電極和柔性電路設(shè)計(jì)，可以精確測(cè)量皮膚溫度、皮膚阻抗和肌電信號(hào)。所實(shí)現(xiàn)的智能仿生皮膚貼片在健康管理系統(tǒng)和康復(fù)工程管理中具有很大的應(yīng)用潛力。值得一提的是，通過紅外相機(jī)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(shè)計(jì)不僅為健康管理提供了很高的實(shí)用價(jià)值，而且對(duì)新一代可穿戴電子設(shè)備的開發(fā)也具有很大的理論價(jià)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(hù)膜 



  極端的自然環(huán)境會(huì)對(duì)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(hù)功能的輕質(zhì)透氣服裝具有很大的應(yīng)用價(jià)值。防水透氣(W&B)靜電紡織物是一個(gè)極好的潛在選擇。然而，如何將多種保護(hù)功能以簡(jiǎn)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  在這里，香港城市大學(xué)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(jié)構(gòu)的超疏水多重保護(hù)膜(S-MPM)。靜電紡絲得到的二維納米纖維網(wǎng)絡(luò)可以牢固地錨定靜電噴涂得到的三維微納米粒子。其獨(dú)特的3D“磚墻模型”可以賦予S-MPM強(qiáng)大的物理和化學(xué)功能穩(wěn)定性，保護(hù)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(hù)，防止對(duì)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(duì)人體皮膚造成傷害。即便是在寒冷氣候或火災(zāi)等更極端的情況下，具有防冰/除冰和阻燃能力的S-MPMj將會(huì)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(shí)際應(yīng)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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