透汗抗菌的皮肤贴片：长期穿戴技术中的微生物保护与舒适性新突破

引言：

在可穿戴健康监测设备的普及下，长期使用的皮肤贴片面临汗液堆积和细菌滋生的挑战，严重影响信号质量、舒适性和皮肤健康。传统的抗菌方案虽然能抑制细菌，但可能破坏皮肤微生态。本文开发了一种透汗、抗菌且保护微生物群的Janus贴片，具有单向汗液传输功能，能够实现长时间佩戴的舒适和安全性，显著提升了健康监测设备的性能​。

正文：

1. Janus贴片的设计与抗菌原理

图1a描绘了了一种具有Zn-Al LDH修饰的柔性Janus贴片，在保存表皮微生态的同时具有强大的抗菌性能。这种贴片具有液汗渗透性和水蒸气透过性，以及自粘性。它包括疏水的LDH修饰织物，利用静电和范德华力通过纳米刀效应机械地消灭细菌，激光雕刻的带有微孔的医用粘合剂有助于向亲水的LDH一侧单向输送汗液，从而提高粘附稳定性并保护皮肤的微生物群。其结构包括疏水性LDH面料和具有微孔的激光雕刻粘胶层，确保汗液单向传输，防止细菌滋生的同时保持皮肤干爽。同时，该贴片轮廓薄（≈400 μm），弯曲刚度低，即使在前臂弯曲、拉伸、按压、剥离等严格的机械变形下也能保持完整和舒适（图1b）。

图1. LDH修饰得Janus贴片的特性和应用。

采用简单的水热法在商品棉织物（CF）上原位合成Zn-Al LDH，如图2a所示。首先，对棉织物进行等离子体处理，通过增加羟基来增强其表面亲水性。随后，多巴胺被原位聚合到棉织物上。聚合前后的棉织物都显示出几乎相同的光滑表面纹理（图2a），这表明多巴胺可以自主形成均匀的聚多巴胺（PDA）膜，该膜紧密粘附在CF表面，而不改变其结构。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，多巴胺聚合持续促进LDH在棉织物上的生长，而不改变其复杂的经纬结构（图2b-d）。能谱分析（EDS）结果证实了LDH中的Al、Zn和O元素在棉织物上的均匀分布（图2d右图）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了原始织物、PDA修饰织物和LDH修饰织物的化学结构（图2e）。在LDH修饰的CF的FTIR结果中，在1430 cm⁻¹附近有一个强劲的峰，表明碳离子的存在，表明碳酸盐掺入了水滑石层，特别是碳酸盐型锌铝水滑石。透射电子显微镜（TEM）图像显示，Zn-Al LDH纳米片密集地锚定在棉纤维上，形成带状结构（图2f），其直径为几微米，厚度从10到40 nm不等。

图2. LDH修饰棉织物（CF）的表征。

2. 高效的汗液管理与长效抗菌性

贴片设计确保汗液快速从皮肤传输到检测层，提高了佩戴舒适性和传感器的信号质量。其吸收速率超出一般人体流汗速率，并在各种弯曲、拉伸和压缩状态下保持功能完整。采用标准化方案（GB4789.2-94）评估了有和没有LDH修饰的Janus贴片对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果（图3a）。虽然在LDH修饰贴片的两侧之间检测到抗菌活性的微小差异，但在CF一侧观察到细菌菌落的显着减少。重要的是，与未修饰的贴片相比，LDH修饰的贴片显示出显著的抑菌效果，对大肠杆菌的抑菌效果超过98%，对金黄色葡萄球菌的抑菌效果超过99.5%，从而证实了其广谱抗菌能力（图3b）。为了进一步研究抗菌作用是否涉及离子释放过程，我们在生理盐水中进行了抑菌带试验（图3c）。值得注意的是，ldh修饰的样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中没有显示出抑制区，表明它们不是通过离子释放来使细菌失活，这在pH≈6.5的模拟汗液中也得到了验证。利用扫描电镜（SEM）对LDH修饰贴片的抗菌机制进行了全面检查，发现大肠杆菌和金黄色葡萄球菌之间存在显著的形态差异，这是它们与LDH纳米片直接界面相互作用的结果（图3d）。特别是，居住在棉织物上的大肠杆菌细胞保持光滑、完整的外观，而直接接触LDH纳米粒子的大肠杆菌细胞表现出明显的皱褶和扭曲，表明细胞膜受损。这种现象是由于带负电荷的细菌膜（富含羧基、磷酸盐和氨基）与带正电荷的LDH纳米片表面之间的库仑力引起的，zeta电位分析证实了这一点（图3e）。为了进一步了解Zn₃Al-LDH对细菌外膜的影响，本研究进行了全原子分子动力学模拟，探索水分子、磷脂双分子层（POPG:POPE = 1:2，模拟革兰氏阴性菌外膜）和Zn₃Al-LDH之间的动态相互作用（图3f）。发现揭示了带正电荷的Zn3Al-LDH通过吸引带负电荷的POPG在磷脂双分子层中产生了实质性的变形，突出了其由库仑力介导的强大的机械影响。此外，独特的Janus结构，以其单向液体传输特性为特征，确保引入LDH侧的细菌溶液被迫与纳米片直接接触，进一步增强其抗菌功效。

图3. LDH改性贴片的抗菌性能及其作用机制。

3. 在实际应用中的表现

在志愿者测试中，贴片展示出显著的抗菌效果，尤其在多汗的条件下保持皮肤干燥并抑制细菌增殖。与传统贴片相比，LDH修饰的Janus贴片在长时间佩戴下有效减少了细菌堆积，确保汗液监测的准确性，并提供更高的皮肤舒适度​（图4）。

图4. LDH改性Janus贴片在人体试验中的原位抗菌评价。

总结：

本文开发的透汗抗菌Janus贴片为可穿戴健康监测设备提供了一种安全、舒适的皮肤接口，有望应用于长时间健康监控和动态生物标志物分析等领域。其在保护皮肤微生态的同时提升了抗菌效果，为可穿戴设备的设计提供了新思路​。

参考文献：

Wu, Yujiao, et al. "Sweat‐Permeable, Microbiota‐Preserving, Mechanically Antibacterial Patch for Long‐Term Interfacing with Perspiring Skin." Advanced Functional Materials (2024): 2416129.