CN114680945A - 可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可穿戴式汗液定向自驱动收集、排出设备，可用于汗液乳酸的实时监测，尤其涉及其仿生结构设计与制备方法。该设备的仿生结构灵感来源于滨鸟嘴不平行板结构、松针的锥形结构。汗液从仿生入口进入通道内，无需外部能量输入，仅依靠结构自生产生的驱动力差即可使汗液定向移动，进入检测区域。检测区域上方为修饰后的电化学传感器的电极片，可特异性检测汗液中的乳酸含量。为加速新旧汗液的分离，在检测区域两侧布置了排汗结构，同样仅依靠结构产生的驱动力即可将汗液自动排出检测区域。利用该设备，运动员等体力劳动者可无创便捷地实时检测体内乳酸含量的变化，从而评估运动状态，同时也能够反应氧化代谢水平，为乳酸中毒、压力缺血提供预警。
Description
技术领域
本发明涉及与液滴自驱动有关的微流体领域，特别是涉及一种可用于汗液乳酸检测的，无需外部驱动力的柔性可穿戴汗液收集、排出设备。
背景技术
近年来，用于监测人体健康状况的可穿戴设备种类繁多，如智能手环、智能手表、智能背心等等，然而这些设备只能监测人体活动和生命体征，如步行速度、步伐不对称、双足支撑时间、心率、血氧等等。诸如此类的生物物理信息虽然有利于分析生理状态，但它们缺乏关于动态生化和代谢过程的直接信息。
在多种代谢物中，乳酸是组织氧结合的最重要的标志物之一，对于运动员、消防员等体能消耗巨大的人员而言，乳酸检测可以有效地评价运动强度与体能状态，尤其是剧烈运动和以耐力为基础的运动，如速度滑冰、骑行、马拉松等，在这种情况下有氧代谢通常无法满足人体的能量需求，体内存储的糖原以无氧消耗的形式产生能量和乳酸。肌肉中的乳酸进入血液，使血乳酸升高，而血液样品的获取必须对皮肤进行穿刺，会造成疼痛和不便，带来不必要的感染风险。
研究表明，汗液中的乳酸与血乳酸存在线性关系，因此可以通过无创地分析汗液中乳酸的浓度来评估血乳酸浓度，而目前市面上传统的汗液乳酸检测需要用吸汗纸或纱布等收集汗液，然后在实验室进行后续分析，但暴露在空气中的汗液容易蒸发且容易被周围皮肤上的油脂、残留污垢或其他化学物质污染。已有的可穿戴汗液检测设备虽然可实现在体检测，但随着出汗量的增加，存在新旧汗液混合的问题，这使得传感器的读数仅能反映乳酸浓度变化的平均值而不是实时乳酸浓度的测量值。因此实现无创便捷的汗液乳酸浓度实时检测具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，可用于汗液乳酸的实时监测。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，可用于汗液乳酸的实时监测，包括：
汗液采集入口，包括具有滨鸟嘴仿生结构的采集口，每个采集口与皮肤接触，用于采集汗液；
汗液运输收集通道，包括具有松针仿生结构的汗液定向自驱动通道，松针尖端与采集入口相连，粗端与检测区域相连，用于将所采集的汗液运输到检测区域；
排汗通道，包括具有滨鸟嘴仿生结构通道，一端与检测区域相接，另一端为旧汗液出口，用于将检测区域内的汗液排出，避免新旧汗液混合；
顶盖，安装在所述汗液收集、排出设备的顶部，用于插放汗液乳酸的检测电极。
作为本发明的进一步改进，所述滨鸟嘴仿生结构为从下到上开口逐渐缩小的锥形微孔结构，靠近皮肤处开口大，靠近运输通道处开口小，锥形结构的锥度为5°。
作为本发明的进一步改进，所述的滨鸟嘴仿生结构下部较大开口的半径为750微米。
作为本发明的进一步改进，所述松针仿生结构为半锥形结构，靠近采集口处小，靠近检测区域处大，松针仿生结构的锥度为5°，长度为6400微米。松针结构所在的汗液运输通道侧壁与中心线夹角为5°，汗液运输通道窄端宽度为1800微米。
作为本发明的进一步改进，所述排汗出口为不平行通道，通道正中增加隔板以加大毛细力，靠近检测区域处通道口最大，出口处最小，不平行通道壁与中间隔板的夹角为5°，隔板宽度为400微米，长度为4800微米，不平行通道的窄端宽度为1800微米。
作为本发明的进一步改进，所述顶盖中用于插放汗液乳酸检测电极的插槽高度为300微米。
作为本发明的进一步改进，所述顶盖在排汗口上方设有开槽，用于加快已排出的旧汗液的蒸发。
本发明的有益效果为：
(1)、本发明所提供的滨鸟嘴仿生结构汗液采集口可以单向地将汗液从皮肤输送到所述的设备内。相较与其他形状的微孔，汗液进入从下到上逐渐缩小的锥形微孔所需要的临界侵入压力最低，在润湿过程中的驱动力最大，阻力最小。所述结构可以更快地传输汗液，汗液传输效率优于其他微孔。
(2)、经采集口进入运输收集通道内的汗液在具有松针仿生结构的通道内无需外部能量的输入，仅依靠松针结构自身产生的拉普拉斯压力差即可将汗液快速定向运输至检测区域，并且快速填充满检测区域的空腔，以便后续检测。而传统的微通道则需要大量排汗产生的压力推动汗液在通道内移动。得益于所述的定向自驱动结构，该设备在保证便携性的同时效率远远高于传统微通道。
(3)、设置在汗液检测区域周围的排汗结构有效地解决了现有的基于微通道的可穿戴汗液检测设备面临的新汗与旧汗之间的混合和残留问题。在汗液定向自驱动结构和排汗结构的共同作用下，检测腔内的汗液时刻处于新旧分离的状态中，即检测腔内的检测分析物的浓度处于时刻变化的状态，这使得传感器的读数可以直接反映分析物的实时测量值，实现对分析物浓度的实时检测，而不是仅仅反映分析物浓度变化的平均值。
(4)、选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为该设备的材料，主要是由于其在水中结构尺寸稳定、由良好的生物相容性、与皮肤相近的杨氏模量、良好的弹性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明设备整体结构图；
图2为本发明设备底部结构图；
图3为本发明设备顶盖结构图；
图4为乳酸检测电极插入顶盖插槽示意图；
图5为液滴在不同微孔中的受力图；
图6为液滴在仿松针半锥结构上的受力图；
图7为本发明底部关键结构尺寸图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种可穿戴式汗液定向自驱动收集、排出设备，可用于汗液乳酸的实时监测，尤其涉及其仿生结构设计与制备方法。该设备的仿生结构灵感来源于滨鸟嘴不平行板结构、松针的锥形结构。汗液从仿生入口进入通道内，无需外部能量输入，仅依靠结构自生产生的驱动力差即可使汗液定向移动，进入检测区域。检测区域上方为修饰后的电化学传感器的电极片，可特异性检测汗液中的乳酸含量。为加速新旧汗液的分离，在检测区域两侧布置了排汗结构，同样仅依靠结构产生的驱动力即可将汗液自动排出检测区域。
如图1所示，一种可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，可用于汗液乳酸的实时检测。
如图2和图3所示，该设备整体由底部1和顶盖10上下两部分组成，底部1的上表面9与顶盖10的下表面13通过氧等离子处理后键合密封连接。
如图2所示，汗液通过汗液采集入口3进入设备，通过具有松针仿生结构4的汗液定向自驱动通道5向检测区域6移动。新汗液不断进入检测区域6的同时，检测区域6内的旧汗液通过排汗通道7排出检测区域，排汗通道7内的隔板8用于加大毛细力，提高旧汗液排出速度，旧汗液通过出口2排出设备。
如图3所示，顶盖开口11用于加快排汗通道内的旧汗液蒸发，从而提高旧汗液的排出速度。插槽14用于插放乳酸检测电极，检测电极插入插槽14后，乳酸检测电极的工作电极正好位于圆孔开口12处，与检测区域内的汗液接触，如图4所示。
液滴在采集口微孔中的受力分析
为了证实所述汗液采集口的锥形微孔结构在汗液传输过程中具有优势，分析并对比了2微升液滴在三种不同结构的微孔中的受力情况。三种形状的微孔分别为从大到小开口、从小到大开口和圆柱体微孔，分别定义为微孔一、微孔二和微孔三，如图5所示。汗液通过微孔进入微通道大致分为三步，分别为侵入过程、润湿过程和吸收过程。
侵入过程：一般情况下，微孔结构的理论侵入压力(P0)可以用公式P0＝4γ/D来表示，其中D为微孔直径，γ为界面张力。通过上述公式可知微孔接触面的尺寸D对液滴润湿微孔内表面的初始侵入过程有显著的影响。与微孔二和微孔三相比，微孔一更容易使液滴进入。
润湿过程：一旦液滴的三相接触线接触到锥形微孔的亲水涂层，驱动力就变成了两个力：液滴的表面张力F1和锥形微孔中的毛细力F2。液滴的向上的驱动力为F＝F1+F2-Fg，其中F1～πγwaterD2/2r，
式中γwater为水的表面张力，r为液滴的半径，ρ为液体的质量密度，g为重力加速度。三种微孔的F1和Fg均相等，F2因形状不同而不同。微孔一F2＝γwaterπd1·cos|θ-α|；微孔二F′2＝γwaterπd1·cos|θ+α|；微孔三F″2＝γwaterπd1·cosθ。式中d1为三相接触线的直径，θ为液滴在亲水涂层的杨氏接触角，α为锥形微孔的锥度。该设备的θ约为5°，当α为5°时，cos|θ-α|＞cosθ＞cos|θ+α|，即微孔一的驱动力最大。
吸收过程：微孔中的液体在毛细作用下不断被吸收到超亲水通道中而不会回流，超亲水通道提供的毛细力会使液滴迅速扩散。吸收过程中的阻力F3可以表示为微孔一F3＝γwaterπd2·cos|θ+α|；微孔二F′3＝γwaterπd2·cos|θ-α|；微孔三F″3＝γwaterπd1·cosθ，同理因为cos|θ+α|＜cosθ＜cos|θ-α|，所以微孔一的阻力最小。
综上分析可知，受滨鸟嘴结构启发的下大上小的锥形微孔结构即微孔一可以更快地传输液滴，与微孔二和微孔三相比，微孔一在侵入过程中的静水压力最小，在润湿过程中的驱动力最大，在吸收过程中的阻力最小。在恒定静水压力的情况下，微孔一的液体传输性能优于其他微孔结构。
排汗结构的不平行板结构与汗液采集口的锥形微孔相似，都是由大到小的开口设计，拥有比传统微通道更大的毛细力，可使检测区域腔体内的旧汗液更快排出。
液滴在采集通道半锥结构上的受力分析
松针可以使在尖端收集到的液体定向驱动到根部，这主要依靠松针的形状梯度所产生的拉普拉斯压力，松针的半径由尖端向根部逐渐增加，由这种锥形结构的形状梯度产生了拉普拉斯压力实现液滴定向自驱动。为分析液滴在锥形结构上的运动状况，对其锥形结构表面受力情况进行分析，如图6所示。水滴在圆锥结构表面受三个力影响，分别为表面粘附力、拉普拉斯压力和重力。其中，液滴在圆锥表面的粘附力为FN＝kγwaterπd/2，其中γwater为液滴的表面张力，k表示考虑接触线形状和接触角沿接触线变化的数值因子πd/2为液滴与圆锥结构接触线长度，为简便计算，此处认为接触线为剖面半径。此时液滴所受重力为
其中r为液滴的半径，ρ为液体的质量密度，g为重力加速度。液滴所受到的拉普拉斯压力差为：
其中R1，R2为液滴两侧的圆锥半径。r为锥形半径。R0为液滴半径，β为锥度。当锥形结构水平放置时锥形表面的液滴只需要在拉普拉斯压力的作用下克服液滴与表面的粘附力即可向根端移动，因此，液滴完全无需外部能量输入，即可实现定向自驱动。
柔性可穿戴设备的制备
该设备的制备方法类似于铸造，通过高精度3D打印机打印模板，所述高精度3D打印机的打印参数为：层厚10微米、曝光时间5秒，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)均匀涂抹到模板表面，固化后剥离，得到柔性的可穿戴设备。具体的，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与交联剂按照质量比10∶1的比例进行混合。搅拌均匀后放入真空干燥箱中，除去搅拌过程中产生的气泡。之后将去除气泡后的PDMS滴涂到由3D打印制备的模板上，将滴涂上PDMS的模板放到70℃烘箱中固化2小时，固化后沿着边缘小心揭下，得到柔性PDMS设备。
汗液运输收集通道，即汗液定向自驱动通道5使用特氟龙做疏水处理，松针仿生结构4做亲水处理。
利用该设备，运动员等体力劳动者可无创便捷地实时检测体内乳酸含量的变化，从而评估运动状态，同时也能够反应氧化代谢水平，为乳酸中毒、压力缺血提供预警。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，用于汗液乳酸的实时监测，其特征在于，包括：
汗液采集入口，包括具有滨鸟嘴仿生结构的采集口，每个采集口与皮肤接触，用于采集汗液；
汗液运输收集通道，包括具有松针仿生结构的汗液定向自驱动通道，所述松针仿生结构的尖端与汗液采集入口相连，粗端与检测区域相连，用于将所采集的汗液运输到检测区域；
排汗通道，包括具有滨鸟嘴仿生结构通道，一端与检测区域相接，另一端为旧汗液出口，用于将检测区域内的汗液排出；
顶盖，安装在所述收集、排出设备的顶部，用于插放汗液乳酸的检测电极。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述滨鸟嘴仿生结构为从下到上开口逐渐缩小的锥形微孔结构，靠近皮肤处开口大，靠近运输通道处开口小。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述的滨鸟嘴仿生结构的锥度为5°。
4.根据权利要求2所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述的滨鸟嘴仿生结构下部开口的半径为750微米。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述的松针仿生结构为半锥形结构，靠近采集口处小，靠近检测区域处大。
6.根据权利要求5所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述的松针仿生结构的锥度为5°，长度为6400微米；所述松针仿生结构所在的汗液运输收集通道侧壁与中心线夹角为5°，汗液运输收集通道窄端宽度为1800微米。
7.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于所述的排汗通道为不平行通道，通道正中具有隔板，靠近检测区域处通道口最大，出口处最小。
8.根据权利要求7所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述的不平行通道壁与所述隔板的夹角为5°，隔板宽度为400微米，长度为4800微米，不平行通道的窄端宽度为1800微米。
9.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述顶盖中用于插放汗液乳酸检测电极的插槽高度为300微米。
10.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液自驱动主动收集、排出设备，其特征在于，所述顶盖在排汗通道上方设有开口。
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