太原理工大学张虎林《‌‌ACS Sensors》|用于多模态可视化及定量中暑监测的全功能可穿戴水凝胶贴片

热相关疾病（尤其是中暑）对户外工作者、运动员及体温调节功能受损个体构成严重威胁。现有监测策略存在侵入性测量手段受限、依赖外部电源以及缺乏实时多模态反馈等局限性。本研究开发了一种一体化可穿戴贴片，其整合了双功能自供电热电化学水凝胶与选择性电化学界面，可实现直观视觉反馈、动态温度追踪及持久性汗液分析。该水凝胶可实现体温的实时热致变色可视化与主动热电传感，集成电化学模块则能持续选择性检测汗液中的Na+与K+离子。这种多参数物理化学健康监测贴片通过体温与汗液离子水平的多模态双阶段评估，有助于改善代谢状态调控并预警中暑风险，为个性化医疗发展及可扩展性主动预防中暑方案提供了潜在应用价值。

图1. 用于中暑诊断的一体化可穿戴贴片及其功能模块示意图。(a) 通过协同检测多种生物信号（包括颜色变化、皮肤温度及汗液电解质）实现中暑快速精准诊断的潜在应用。(b-d) 可视化模块(b)、温度传感模块(c)及汗液传感模块(d)的工作机制。

图2. 系统表征的 DFH 热致变色与力学性能。(a) 不透明态向透明态转变过程中 DFH 的显微照片及透射率。插图：不透明态（左）与透明态（右）的SEM图像。(b) DFH 在20℃和40℃下的Zeta电位。(c) 20℃至40℃温度范围内 DFH 在600 nm波长下经过100次循环的透射率变化。(d) DLS结果显示20℃下0.8 M氯化锂和0.8 M氯化钠前驱体溶液的平均胶束尺寸及其对应胶束结构。(e) 不同无机盐种类及浓度下 DFH 的热溶胀曲线(Tk)。(f) 不同温度下 DFH 样品的显微照片。(g) 不同氯化锂和氯化钠含量水凝胶的DSC分析，显示其对热性能及热溶胀曲线的影响。(h) 双网络缠结水凝胶结构示意图。(i) 不同明胶含量 DFH 样品的应力-应变曲线。(j) 不透明态与透明态 DFH 的应力-应变曲线。(k) 不透明态与透明态拉伸状态下 DFH 的显微照片。

图3. DFH 的热电效应、非干燥性和抗冻性能。(a) 作为温度传感机制的热电效应示意图及电化学电位图。(b) Se、最大短路电流及(c) 相应的EIS图，其中[Fe(CN)6]3−/4−浓度范围为0.02至0.1 M。(d) 不同温度下 DFH 的开路电压曲线。(e) 在冷端温度(Tc)固定为20°C时不同 ΔT 下的输出电压-电流-功率曲线及(f) 相应的最大Pmax/ ΔT 2值。(g) 不同温度下 DFH 的频率依赖性电导率。(h) 不同温度下 DFH 的循环伏安曲线。(i，j) (i) PAM/明胶与(j) PAM/明胶/氯化锂水凝胶的保水能力。(k) 293 K下储存5天后含氯化锂与不含氯化锂 DFH 的对比（比例尺1 cm）。(l) 从Se、 σ 、抗冻性、变色性和可拉伸性等综合性能角度对 DFH 与既往报道的热电水凝胶进行的全面比较。

图4. 用于钠钾检测的无创可穿戴汗液生物传感器设计与特性分析。(a) 无创可穿戴钠钾汗液生物传感器示意图。(b) 电极结构示意图。(c) 微流控通道结构示意图。(d) 采用染色水实验及微流控模块内模拟填充动力学过程的实验可视化结果。颜色标尺显示归一化示踪剂场c（无量纲），其中c=0表示空气填充区域（红色），c=1表示水填充区域（蓝色）。水逐步填充通道与储液池，同时空气被置换并通过压力出口边界排出。(e) 不同浓度下Na+传感器的 OCP 响应曲线。(f) Na+传感器校准曲线（n=5）。(g) 不同浓度下K+传感器的 OCP 响应曲线。(h) K+传感器校准曲线（n=5）。(i) Na+与K+传感器重复性评估。(j) Na+与K+传感器选择性评估。(k) Na+与K+传感器在混合电解质溶液中的稳定性。(l) 温度对Na+与K+传感器的影响。

图5. 用于预防中暑及健康管理的可穿戴多模态贴片，具备视觉热预警与生理信号监测功能。(a) 该贴片通过视觉反馈、体温检测及汗液电解质传感实现中暑预防与健康监测的示意图及检测功能。(b) 贴片工作原理：Na+/K+传感器与温度传感器负责采集生理数据，随后由ESP8266模块进行处理。数据通过无线传输实现实时监测。(c) 人体前额温度在贴片相变前后的热成像图及贴片相变前后拍摄的照片。(d) 贴片、前额及室内环境的长期温度变化曲线，插图显示电压变化趋势。(e) 两个典型区域电压与体温的关系曲线。(f) 人体发热前后贴片温度感知的实时输出电压响应曲线。(g) 运动期间汗液中Na+与K+浓度的实时监测。(h) 汗液分析所得Na+、K+浓度与商用传感器结果的对比分析。(i) 基于逻辑门决策系统的双阶段中暑监测示意图。(j) 运动时贴片附着于前额的照片，展示热应激状态下体温与汗液电解质浓度的动态变化。(k) 前额贴片安装示意图（比例尺：1厘米）。(l) 用户界面实时显示运动期间体温、Na+/K+浓度数据及波形信号。