柔性电子皮肤再突破！超快速导汗！

该研究发表于《Nano-Micro Letters》2026年第18期，由中山大学、清华大学等团队联合完成，聚焦可穿戴表皮监测技术的核心痛点，开发了纺锤结构定向导汗纳米网（SDSN）基多模态监测系统，实现了汗液的超快单向传输、生物电与生化信号的无线连续监测，为高强度运动和体力劳动中的健康管理提供了新型柔性电子皮肤方案。

一、研究背景

柔性电子皮肤是可持续健康监测领域的重要发展方向，但传统电子皮肤存在三大核心缺陷，限制了长期稳定的高通量信号记录：依赖PDMS、PET等致密基底，阻碍皮肤-器件界面的热湿微环境交换，静息状态下的无感汗液和运动/高温下的有感汗液无法有效排出，不仅引发佩戴不适、皮肤刺激甚至皮炎，还会降低电极粘附性、影响信号质量；现有多孔纳米网设计多仅依靠材料固有孔隙提升透气性，仅能实现气相汗液传输，对液态汗液的排空能力不足，易造成界面湿气滞留；户外作业者、运动员等高活动量人群健康风险较高，单一生理指标无法全面评估其身体负荷和代谢状态，亟需多模态传感技术。

此外，现有Janus不对称结构的导汗研究多依赖润湿性和孔径梯度，层间相互作用弱，耐久性和系统集成性差；静电纺丝制备纳米网虽能避免层间缺陷，但对纤维级形貌的工程化设计关注不足。基于此，研究受蜘蛛丝纺锤节的曲率和表面能梯度启发，设计了纺锤结构定向导汗纳米网，并集成多模态传感功能，解决上述技术瓶颈。

二、研究亮点

1. 通过静电纺丝构建的SDSN集成润湿性、孔径和纺锤节结构三重不对称性，协同产生定向驱动力，单向液体传输速率达**4.00 mL·min?1·cm?2**，约为人体运动时汗液分泌速率的1200倍，无回流且透气透湿。

2. 兼具高透气性、透湿性和优异的皮肤贴合性、拉伸性，运动中可稳定实现皮肤监测，且皮肤相容性良好，无刺激、热舒适性优异。

3. 融合汗液生物标志物（葡萄糖）和心电图（ECG）电生理信号监测功能，搭配纳米网封装的柔性电路，实现无线连续监测，可对代谢能量输出和心血管反应进行关联分析。

4. 首次构建均匀纳米网模型（UNM）和纺锤结构纳米网模型（SNM），从微观尺度揭示纺锤节对液体传输的增强机制，为纳米网结构设计提供理论支撑。

5. 系统厚度低于100 μm，重量仅2.61 g（含电池和防水层），可胸部佩戴，运动中无明显运动伪影，长期佩戴无皮肤刺激，且电极可重复使用。

三、研究内容

（一）实验制备

图1：基于纺锤结构纳米网的定向导汗柔性多模态监测系统示意图与实物图

a为系统整体示意图，集成葡萄糖传感器、ECG传感器、柔性电路和SDSN核心层，实现双信号同步监测；b为SF12亲水层的SEM图，清晰显示致密均匀的纺锤节结构；c为SF0疏水层的SEM图，纤维更粗、孔径更大且无纺锤节；d为SDSN反重力导汗的实物图，液体以4.00 mL·min?1·cm?2速率向上传输无回流；e为ANE贴附于人体胸部的实物图，贴合性优异；f为纳米网封装的检测电路实物图，轻薄且透气。

1. 纺锤结构定向导汗纳米网（SDSN）制备：以SEBS为基质，制备两种静电纺丝溶液（SF0：8 wt% SEBS/THF，疏水；SF12：SEBS与12% F127混合，亲水），通过序贯静电纺丝制备双层结构，SF0电压11 kV、SF12电压13 kV，各纺丝40 min，形成亲水层带纺锤节、疏水层孔径更大的不对称结构。

2. Au纳米网电极（ANE）制备：先静电纺丝制备PVA纳米网作为牺牲层，溅射100 nm厚Au膜后激光刻蚀电极图案，转移至SDSN表面，溶解去除PVA得到多孔ANE，保留SDSN的透气和导汗特性。

3. 葡萄糖传感器制备：通过戊二醛（GLA）和牛血清白蛋白（BSA）交联，将葡萄糖氧化酶（GOx）固定在ANE工作电极表面，滴涂Nafion膜封装；参比电极由银浆涂覆后循环伏安法氯化制备。

4. 柔性集成系统构建：将ANE、葡萄糖传感器与定制柔性电路结合，电路采用SDSN和SF12纳米网三明治封装，集成蓝牙无线传输模块，实现ECG和汗液葡萄糖信号的实时采集与传输。

（二）性能评价方法

图2：SDSN的设计与液体传输特性

a为不同SEBS/F127比例纳米网的接触角变化，随F127含量增加接触角从144°（SF0）降至29.5°（SF12），验证润湿性梯度的可调控性；b为SF12与SF0的孔径对比，SF0孔径显著大于SF12，形成孔径梯度；c为液滴从疏水层渗透的接触角演变，纺锤结构纳米网0.8 s完成跨层传输，无纺锤节纳米网需13 s；d为SDSN反重力导汗机制示意图，毛细力（CF）克服重力（G）和疏水层阻力（HP）实现定向传输；e为纺锤节曲率梯度的定向导液机制示意图，半径差产生的拉普拉斯压力差驱动液滴迁移；f为毛细上升曲线，SF12-13 kV（纺锤节）的上升速度（0.29 mm·s?1）是SF12-19 kV（无纺锤节）的3.8倍；g为横向扩散面积曲线，纺锤节纳米网扩散速率（135.95 mm2·s?1）比无纺锤节者高60%。

建立了多维度的性能测试体系，涵盖纳米网、电极和系统三个层面：

1. SDSN性能评价：接触角测量、反重力导汗表征、液体捕获/传输表征（水收集、毛细上升、横向扩散）、纳米网结构参数（纤维直径、孔径）统计分析。

2. ANE性能评价：水蒸气透过率（WVTR）、透湿性、力学性能（拉伸、90°剥离、循环拉伸电阻稳定性）、皮肤反应测试（12 h佩戴刺激性、运动热舒适性）、皮肤-电极阻抗、ECG采集及信噪比（SNR）计算、葡萄糖检测准确性对比。

3. 系统集成性能评价：跑步机1 h运动中的多模态信号实时监测、与商用连续血糖监测（CGM）设备的对比实验、汗液葡萄糖检测的误差分析。

（三）核心机制分析

图3：双架构双视角对比模型的液体传输分析

a、b为SNM（纺锤结构）和UNM（均匀结构）的俯视图及单元结构；c、d为纵向（l）和横向（t）视角下的液体液位模拟图；e、f为纵/横向视角下SNM与UNM的液位随时间变化，SNM纵向传输速度是UNM的1.3倍，横向约4倍；g为气液界面的Y方向速度分布，SNM的纺锤节处速度显著高于UNM；h为气液界面的压力和X方向速度分布，SNM存在明显的压力梯度，驱动液体向纺锤节迁移，而UNM无此特征。

1. 三重不对称性的协同导汗机制：SDSN的疏水SF0层（接触角144°）和亲水SF12层（接触角29.5°）形成润湿性梯度，且SF0孔径大于SF12形成孔径梯度，结合SF12的纺锤节结构形成曲率梯度；液体从疏水层接触时，受表面能驱动向亲水层迁移，毛细力克服重力实现反重力传输，纺锤节的曲率梯度进一步放大拉普拉斯压力，加速液体的垂直泵送和平面扩散。

2. 纺锤节的微尺度增强效应：通过双架构双视角模型模拟发现，纺锤结构使液体纵向传输速度提升30%、横向传输速度提升约4倍；纺锤节与纤维连接处的半径差产生拉普拉斯压力差，驱动液滴向纺锤节迁移，同时增大液体与纳米网的接触面积，提升毛细上升和横向扩散速率。

3. ANE的稳定传感机制：ANE的多孔结构保证透气透湿性，80 μm的超薄厚度实现与皮肤的紧密贴合，氢键、毛细力和范德华力共同保证运动中的电极粘附性，避免滑移；定向导汗功能使汗液从皮肤-电极界面泵送至亲水层，消除汗液膜对阻抗的影响，维持ECG信号的高SNR。

（四）应用验证

图4：ANE的性能表征

a为ANE贴附于皮肤的实物图，多孔结构清晰；b为ANE在扭转、弯曲、拉伸等皮肤变形下的贴附状态，无脱落、褶皱；c为纳米网的剥离力-位移曲线，剥离力达3×10?3 N，可抵抗皮肤变形的弹性力；d为纳米网的应力-应变曲线，拉伸至近2倍长度仍未断裂，拉伸性优异；e为不同结构的WVTR对比，SDSN的WVTR达132.6 g·m?2·h?1，集成Au电极后仍保持高透气性；f为液体蒸发速率对比，SDSN（267 g·m?2·h?1）远高于单层SF0/SF12和速干衣物，导汗促蒸发效果显著；g为运动后皮肤温度的红外成像，ANE覆盖区温度降低1 °C，SSCE覆盖区升高0.5 °C，热舒适性更优；h为12 h佩戴后的皮肤反应，ANE无红斑，SSCE出现明显皮肤刺激。

图5：ECG和汗液葡萄糖监测的应用验证

a为皮肤-电极阻抗对比，ANE阻抗远低于SSCE，且重复使用后稳定性好；b为运动前后的ECG信号，ANE信号清晰，SSCE运动后基线漂移、振幅降低；c为ECG的SNR变化，ANE运动后SNR提升，SSCE显著下降；d为ANE基电化学三电极结构示意图，明确GOx的固定和Nafion封装方式；e为葡萄糖传感器的电流响应及线性拟合，线性相关性优异；f为传感器的抗干扰性，乳酸、尿素、NaCl对响应无明显影响；g为系统佩戴于人体的实物图；h为运动20/40/60 min的连续ECG信号，波形稳定；i为不同运动时间的ECG SNR，保持在基线90%以上；j为餐后运动的汗液葡萄糖浓度变化，随运动进行逐渐下降；k为运动中补充高糖饮料后的葡萄糖浓度变化，与CGM趋势一致；l为汗液葡萄糖检测值与分光光度法参考值的对比，一致性高。

1. ECG监测性能：ANE的皮肤-电极阻抗（1 Hz时0.63 MΩ）远低于传统Ag/AgCl凝胶电极（SSCE，1.57 MΩ），且10次贴附/剥离后阻抗无明显变化；运动后ANE的ECG信号P波、QRS波、T波清晰，SNR从10.5 dB提升至11.6 dB，而SSCE出现基线漂移，SNR从9.0 dB降至6.6 dB。

2. 葡萄糖传感性能：传感器在0~125 μM葡萄糖浓度范围内线性响应，灵敏度达335 nA·mM?1，对乳酸、尿素、NaCl等汗液干扰物具有高选择性；在皮肤温度33.5~36.9 °C、汗液pH 4.5~6.5范围内性能稳定，可重复使用超5天；与分光光度法对比，平均绝对误差（MAE）4.75 μM，平均绝对百分比误差（MAPE）10.61%，准确性优异。

3. 多模态系统实测：胸部佩戴的系统可在1 h跑步机运动中实时无线传输ECG和汗液葡萄糖信号，ECG信号在运动20/40/60 min时SNR保持在基线的90%以上；汗液葡萄糖浓度可反映运动中的代谢变化（餐后运动浓度下降、补充高糖饮料后浓度上升），趋势与商用CGM一致，仅存在血液-汗液的生理延迟。

四、总结与展望

本研究成功开发了基于纺锤结构定向导汗纳米网的柔性生物电与生化集成监测系统，解决了传统可穿戴电子皮肤汗液积累、透气性差、信号单一的核心问题。首次将蜘蛛丝纺锤节结构引入静电纺丝纳米网，构建润湿性、孔径、结构三重不对称性，实现了汗液的超快单向传输，传输速率是人体运动汗液分泌速率的1200倍，且纳米网厚度低于100 μm，提升了皮肤贴合性，降低了运动伪影。制备的Au纳米网电极兼具高透气透湿性、优异的力学性能和皮肤相容性，运动中电极粘附稳定，皮肤-电极阻抗低，ECG信号质量远优于传统凝胶电极，且长期佩戴无皮肤刺激。将ANE与葡萄糖传感器、柔性无线电路集成，实现了ECG电生理信号和汗液葡萄糖生化信号的同步无线连续监测，可全面评估人体的心血管反应和代谢状态，且系统轻薄、便携，实用性强。建立了双架构双视角的对比模型，从微观尺度揭示了纺锤节的曲率梯度对液体传输的增强机制，为多孔纳米网的结构工程化设计提供了理论依据；同时明确了定向导汗对提升传感信号稳定性的作用机制。

该系统实现了从“材料化学特性”到“微结构设计+化学特性”的协同设计转变，通过纳米网自身结构优化而非额外叠层，保证了系统的轻薄性和集成性，为可穿戴渗透电子学的发展提供了新范式。

文献链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-026-02115