柔性微流体在可穿戴电子设备的应用

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随着微机电系统(MEMS)技术的发展，微流体技术在环境检测、细胞生物学、蛋白质分析、基因工程等领域得到了广泛的应用。传统的微流体系统一般采用硅和玻璃等刚性材料制造。刚性微流体需要复杂的制造过程和昂贵的加工设备。而且也很难获得更高的集成度。近年来，柔性微流体技术在材料和制造技术飞速发展的基础上得到了迅速的发展。一些柔性材料如聚合物、硅弹性体和织物被用来制造微流体系统。针对柔性微流体，开发了层间转移与贴合、软光刻、喷墨打印、3D打印等新型制造技术。柔性材料和制造技术简化了微流体系统的制造过程，降低了成本，使柔性微流体具有更优异的功能和更高的集成度。此外，柔性微流体还具有重量轻，整合性高，便携性，低成本，一次性，容易集成等优点。因此，柔性微流体被广泛应用，特别是在可穿戴应用中，包括生物传感和运动传感。

随着柔性材料和制造方法的快速发展，流体操纵和柔性电子技术的结合促进了功能性微流体的应用，如可穿戴微流体用于生物传感和医疗保健。通常，可穿戴微流体通过以下步骤来检测生物液体:(i)收集生物液体，(ii)将生物液体转移到检测点，(iii)进行检测。生物液体通常来源于血液、血清、汗液、间质液、唾液、眼泪、粘液、精液和粪便等。尤其是汗液，是最常被处理的分析物。此外，可穿戴微流体技术还可用于人体运动传感。

基于汗液的柔性微流体生物传感

汗液中含有大量的生理信息。集成到可穿戴微流体中的汗液传感器可提供从分子水平上了解人体动态的方法。近年来，结合不同的形态因子、底物和检测机制开发了许多可穿戴的汗液传感器。利用高吸水性树脂(SAP)阀和色度传感器（使之成为可识别的元件），柔性可贴在皮肤上的微流体设备（旨在捕捉），储存和分析汗腺释放的化学物质。阀门技术按照一个明确的顺序，引导汗水从一个入口位置流到孤立储层的集合处。图1展示了用于汗水中氯化物监测的计时取样表皮微流控装置的结构示意图。该系统被设计成一个单独支持微流体通道和阀门的几何图形。其中，一组基于SAP材料的有源阀和无源阀在通道表面进行了疏水、亲水性、化学功能化等方面的研究。主动阀用于关闭每个水库的进口和出口。无源阀用于引导流向。

图1

随后，一系列材料与器件设计被用于柔性可拉伸微流道系统来建立汗液检测技术。汗水可以通过一个微流体网络和一组通过接入点的储液器自发地流出。用比色法分析氯离子、水合氢离子、葡萄糖和乳酸盐等标记物。此外，将无线电子通讯技术集成到可穿戴的微流体系统能够自然坚定地绑定在皮肤表面而不会遭受化学或机械刺激。研究者提出了一个完全集成的柔性微流体系统，用于连续、同时和选择性地测量汗液代谢物、电解质和温度。为了便于收集和存储，柔性微流体系统可以无线传输信息，具有实时数据分析的潜力。图2为微流控芯片的制作步骤示意图，以及芯片附着在机体上的照片。

图2

研究者提出了一种可穿戴、鲁棒、灵活、一次性的微流体化学条码平台。该平台采用了新型离子液体聚合物凝胶(离子凝胶)。该装置可实时监测人体运动和运动期间的汗液pH值。微流体的结构使新鲜的汗液不断地通过传感区，这就保证了对汗液成分的实时分析和反馈。

另一种可穿戴微流控平台，用于测量图案织物表面的流量，称为数字滴流量测量(DDF)，如图3所示。测试平台使用传统的织物材料和激光微加工技术。该可穿戴式DDF能够实时采集和测量连续的汗液，具有较高的测量精度(平均96%)。此外，所提出的DDF平台可以方便地与常规服装或可穿戴设备集成，具有应用于各种血流变和临床过程的动态去除、收集和监测生物体液的潜力。

图3

基于ISF的可穿戴微流体生物传感

组织液是另一个用于分子水平检测人体生理信息的来源。有人在通过柔性微流体透皮提取ISF方面做了大量的工作，为连续监测血糖提供了一种新的方法。通过制备5层PDMS微流体芯片用于ISF透皮提取，收集和测试，用于连续实时的血糖检测。图4展示了集成光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的葡萄糖浓度测量芯片。通过在PDMS上喷墨打印制造稳定微电极，并在基于PDMS的微流体系统中制备了用于葡萄糖检测的三电极电化学传感器。图5为在PDMS表面制备三电极电化学传感器照片。随后有人将传感器的工作电极通过喷墨打印的方式用石墨烯和金纳米颗粒进行修饰以获得复合纳米结构。而且他们也报道了全喷墨打印的柔性表皮微流道系统，由7个一次性的四电极测试阵列单元组成。其中两个电极用于通过葡萄糖分子介导的皮肤经皮烯丙基萃取形成表皮微流体通道。图6显示了附着在皮肤上的柔性表皮微流体系统的照片。

图4

图5

图6

可穿戴微流体用于运动传感

可穿戴的微流体也可以作为人体运动传感。微流道中的液态金属被用作压力传感器。基于高导电性的金属液体(eGaIn)的薄膜微流体触觉传感器，具有很高的灵活性、鲁棒性和灵敏度。其工作原理是压力传感器的微变形导致流体位移，从而改变电阻。图7显示了传感器的照片。传感器被多路复用以检测手的多区域力。在此基础上，有人开发全柔性的应变传感器，传感器是由石墨烯，微流体液态金属和可拉伸的弹性体制得。将液态金属引入微流道中用于设备内部接线。石墨烯在含液态金属弹性体内部形成图案。在机械传感过程中，由于传感器的变形，流体平均使微流体电线流动和整形而不会产生裂纹和疲劳。此石墨烯传感器可以追踪到人体腕关节的角度变化。