紫外線輻射強(qiáng)度監(jiān)測元素在文身貼設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究

高迪，胡能，鐘齊

摘要：文身是人類用符號建構(gòu)自己身體的一種具有悠久歷史的獨(dú)特實(shí)踐方式，早期以標(biāo)志身份和地位為主，在現(xiàn)代社會(huì)中的裝飾作用日益凸顯，形式也更加豐富。傳統(tǒng)意義上的文身具有持久性和不可更改性，部分崇尚快時(shí)尚的愛美人士因此望而卻步。本著統(tǒng)一審美性和功能性的設(shè)計(jì)哲學(xué)原則，根據(jù)消費(fèi)者對文身可更改替換和對皮膚健康監(jiān)測的兩大現(xiàn)實(shí)需求，研發(fā)可監(jiān)測紫外線輻射劑量的自粘性和可涂繪新型材料，應(yīng)用于文身貼設(shè)計(jì)，以滿足人們對皮膚健康防護(hù)的功能需求和對藝術(shù)風(fēng)格的表達(dá)訴求。該設(shè)計(jì)以復(fù)合溫敏微凝膠的光催化降解性能為工作原理，利用日光輻照條件下染料褪色的可視化過程顯示紫外線輻射劑量，以實(shí)現(xiàn)皮膚健康管理。復(fù)合溫敏微凝膠具有的自粘性和可涂繪性使其能夠應(yīng)用于文身貼的設(shè)計(jì)，既能滿足人們對文身藝術(shù)層面的美觀訴求，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)用功能的高靈敏度和便捷性。

關(guān)鍵詞：文身貼設(shè)計(jì);皮膚健康監(jiān)測;光催化降解;紫外線輻射

中圖分類號：TS939 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）24-000-04

1 研究背景

文身是世界各地普遍存在的古老風(fēng)俗，是社會(huì)意識形態(tài)的文化意蘊(yùn)和審美范疇[1]。在原始社會(huì)，人們文身是出于對自我保護(hù)以及獲取一種超能量的祈求，文身的有無被視為判斷財(cái)富和社會(huì)地位的象征[2]。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，文身的意義發(fā)生了本質(zhì)變化，早已從最初的身份標(biāo)志轉(zhuǎn)變表達(dá)成審美情趣的符號。由于文身在中國古代曾被作為標(biāo)記罪犯的記號，也曾經(jīng)在民間廣為流行，近現(xiàn)代民眾受到日本黑道和我國港臺地區(qū)黑幫傳聞的影響[3]，國人對文身的印象是矛盾的。在歐美國家，除面部文身以外，其他部位的文身都被作為時(shí)尚的標(biāo)記，這股摩登風(fēng)潮在20世紀(jì)末傳入中國，促進(jìn)了文身與身體的緊密聯(lián)系[4]。

由于正統(tǒng)思想認(rèn)為諸如文身這類怪誕裝飾屬于資本主義的腐朽文化表征，追求自我意識的青年人需要承受“反叛者”的輿論壓力，為滿足好奇者的嘗試欲，具有暫時(shí)性效果的文身貼應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 文身貼設(shè)計(jì)的健康監(jiān)測功能化趨勢

幾代暫時(shí)性文身貼產(chǎn)品都有保持時(shí)間適度、使用方便、便于更換的特點(diǎn)，很好地規(guī)避了在真實(shí)的文身過程中因衛(wèi)生消毒不徹底所導(dǎo)致的消費(fèi)者感染疾病的風(fēng)險(xiǎn)，也彌補(bǔ)了文身難以更新紋樣和轉(zhuǎn)換部位的遺憾。2010年春夏，香奈兒在時(shí)裝發(fā)布會(huì)上展示了做成項(xiàng)鏈、手鏈、腳鏈的文身貼，這一舉動(dòng)讓文身貼這一產(chǎn)品登上了頂級奢侈品的大雅之堂（見圖1）。成為服飾設(shè)計(jì)中的重要部分之后，文身貼開啟了功能化設(shè)計(jì)旅程。

近十年來，以美國研究者為主，先后研發(fā)了能夠隨著血糖值的升高或降低改變顏色的文身貼等產(chǎn)品[6]。這些設(shè)計(jì)顯示出在人們對健康關(guān)注度不斷提升的過程中，便攜性、功能性健康監(jiān)測產(chǎn)品在日常生活中的地位越發(fā)重要，也激發(fā)了筆者所在科研團(tuán)隊(duì)研究健康監(jiān)測功能性文身貼設(shè)計(jì)的熱情，文章以可監(jiān)測日光紫外線輻射文身貼設(shè)計(jì)為例。

1.2 日常生活中紫外線健康監(jiān)測的必要性

在歐美人的審美觀念中，小麥色的皮膚意味著健康，這種取向也影響了中國人的價(jià)值觀和日常行為。中國人也開始講起了日光浴，但臭氧層不斷被消耗，太陽光中的紫外線輻射增強(qiáng)，給暴露在陽光中的人體也帶來了很大的危害。太陽光中紫外光約占3%，適量的紫外光輻照有利于促進(jìn)人的骨骼發(fā)育、維生素D的合成和增強(qiáng)人體的免疫系統(tǒng)[7]。同時(shí)，紫外光也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，如醫(yī)藥治療、農(nóng)業(yè)殺菌、工業(yè)制造等領(lǐng)域[8-9]。然而，短期過度的紫外線輻照可導(dǎo)致皮膚光變態(tài)反應(yīng)、曬傷和曬黑，長期過度的紫外線輻照則可引起皮膚老化，甚至發(fā)生皮膚腫瘤[10]。由太陽光中的紫外線輻照導(dǎo)致的皮膚疾病和對人體其他危害的預(yù)防研究日漸受到重視和關(guān)注。

1.3 具有紫外線健康監(jiān)測功能文身貼設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求

預(yù)防皮膚損傷和皮膚疾病的關(guān)鍵問題是靈敏、便捷地監(jiān)測人體皮膚所受的紫外線輻照量是否達(dá)到皮膚健康所需的閾值。既要保證身體健康，又要追求自然健美，當(dāng)人們徘徊在防曬和日光浴之間時(shí)，需要更精準(zhǔn)的健康監(jiān)測與指示[11-12]。市場上的主要防曬用品如防曬霜、遮陽傘、防曬衣在針對上述問題時(shí)都明顯缺乏靈敏度和時(shí)尚感。目前，市場上技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用較成熟的太陽紫外線強(qiáng)度指示產(chǎn)品主要是一類紫外輻照電子檢測儀器，其原理是基于紫外光響應(yīng)的各類元件，將其響應(yīng)行為進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡筝敵鲲@示。此類產(chǎn)品具有高靈敏度和測試范圍可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。但此類儀器存在部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、須外接電源的問題。綜上，用于紫外線強(qiáng)度監(jiān)測的功能文身貼設(shè)計(jì)因現(xiàn)實(shí)需求具有良好的市場前景。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)外對可監(jiān)測紫外線輻射強(qiáng)度的文身貼設(shè)計(jì)仍處于起步階段，具有健康監(jiān)測功能的、可直接接觸皮膚用品的研究也還不成熟。主要有以pH值變化易色等為原理的水凝膠微針貼片和依靠電流信號轉(zhuǎn)化的新型指示材料探測器兩類。前者因設(shè)計(jì)主旨為醫(yī)藥品，欠缺美觀和時(shí)尚元素。后者雖然具有高靈敏的特點(diǎn)和可穿戴的功能，但需要特定的電流信號轉(zhuǎn)化儀器才能有效讀取信息，可視化和便捷度還有待提升，在藝術(shù)效果的呈現(xiàn)上也受到極大限制。

2.1 基于微針貼片的多生理指標(biāo)監(jiān)測文身貼

該文身貼產(chǎn)品為輔助診斷慢性病的水凝膠微針貼片，以極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠為主要材料。生活中常見的水凝膠有果凍、蘆薈膠等，它們可以在水中迅速吸水并溶脹。貼片被設(shè)計(jì)成正方形，上面分布著上百個(gè)由透明質(zhì)酸做成的微針，這些微針被分成不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的微針分別裝載不同的檢測試劑（見圖2）。

檢測時(shí)，可選皮膚平整處貼上貼片，將微針刺入皮下后，透明質(zhì)酸遇皮膚下間質(zhì)液會(huì)溶解，此時(shí)測試試劑可迅速穿透表皮層抵達(dá)真皮層后分別測試人體葡萄糖、pH值、尿酸、溫度等。檢測通常在兩三分鐘內(nèi)完成，受測部位會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，和普通文身貼顯色效果相同。醫(yī)生可以通過比對文身顯示出的顏色與標(biāo)準(zhǔn)圖卡，以數(shù)值指標(biāo)作為大部分慢性病輔助診斷手段。

2.2 基于電流信號轉(zhuǎn)化的新型指示材料探測器

該新型指示材料以具有紫外光敏特性的光致發(fā)光材料和具有不同紫外光波長響應(yīng)的各類無機(jī)光催化劑復(fù)合而成。其中的紫外光敏特性，是指材料在受到外界紫外光照射后，輻照能量可以使其自身價(jià)態(tài)由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)存在不穩(wěn)定性，當(dāng)材料由激發(fā)態(tài)通過輻射躍遷回到基態(tài)時(shí)，會(huì)附帶產(chǎn)生熒光或磷光，因此該類紫外光敏材料具有光致發(fā)光的特性。無機(jī)光催化劑同樣能吸收外界紫外光，并利用輻照能量產(chǎn)生光生電子/空穴對，以發(fā)揮引發(fā)化學(xué)反應(yīng)、光解水產(chǎn)氫、染料降解等多種功能。

例如，Xu等制備了一種新型自供電的高性能p-CuZnS/n-TiO2 紫外光探測器（見圖3）。在紫外光照射下，探測器借助TiO2的光電效應(yīng)能快速產(chǎn)生光生電子，通過監(jiān)測材料中的電流變化即可獲得響應(yīng)信號。遺憾的是，目前基于電流信號的指示材料，產(chǎn)生電流信號后需要利用特定的轉(zhuǎn)化儀器才能有效觀察到變化，無法滿足人們對可穿戴儀器便捷性的要求。

2.3 基于紫外光致變色性能的新型傳感材料

Lee等[15]人基于鄰硝基芐基（ONB）改性后的可光切割聚合物薄膜設(shè)計(jì)了一種無電源、環(huán)境穩(wěn)定且靈敏的紫外線傳感器。對紫外線的傳感機(jī)制為該薄膜在暴露于紫外線輻照時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆的顏色改變。與大多數(shù)常見的光致變色聚合物不同，這種可光裂解的聚合物在很寬的溫度范圍內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且不易受氧降解的影響。

為了制造柔性紫外線傳感器，研究者將聚合物進(jìn)一步集成到三層聚合物夾層結(jié)構(gòu)中。簡單的兩步制造過程中溶劑的使用較少，并且僅使用美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)的可用于人類使用和食品接觸的材料。在性能測試中，研究者使用AM1.5太陽模擬器，確定了柔性紫外線傳感器的工作性能，并計(jì)算了比色指數(shù)變化。同時(shí)在機(jī)械彎曲、暴露于水和防曬霜以及儲(chǔ)存5周后測量了紫外線傳感器的響應(yīng)性能。該聚合物傳感器具有很長的使用壽命，同時(shí)也可以保持靈活性、耐水性和防曬霜兼容性的功能標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 基于紫外光輻照引起阻抗變化的新型指示材料

碳納米管作為傳感器的基礎(chǔ)，外界的多種變量諸如紫外線輻射都會(huì)影響其納米管的電阻特性，而紫外線輻射不會(huì)影響納米管自身的特性。由于紫外線有幫助氧在碳納米管上的吸附/解吸的特性，從而改變納米管的電阻，因此，Kim等人[16]展示了一種用空氣封裝的新型傳感器，其中密閉的空氣負(fù)責(zé)紫外線感應(yīng)機(jī)制，并確保傳感器隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定性和可重復(fù)性。與之前報(bào)道的傳感器相比，氣穴封裝傳感器具有快速恢復(fù)的特點(diǎn)。在與外部環(huán)境隔離的氣穴中可以充當(dāng)固定的氧氣儲(chǔ)存器，從而獲得相同的傳感特性。此外，該傳感器適應(yīng)性強(qiáng)，甚至可以在液體環(huán)境中使用。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本著將審美性和功能性相統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)消費(fèi)者對文身可更改替換和皮膚健康監(jiān)測的兩大現(xiàn)實(shí)需求，文章研究用于監(jiān)測紫外線輻射強(qiáng)度的自粘性、可涂繪新型材料，應(yīng)用于文身貼設(shè)計(jì)，以滿足人們對皮膚健康防護(hù)的功能需求和藝術(shù)風(fēng)格的表達(dá)訴求。

3.1 基本原理

課題設(shè)計(jì)的皮膚健康監(jiān)測產(chǎn)品核心部分是吸附染料后的復(fù)合溫敏微凝膠材料。該復(fù)合微凝膠主要由具有溫度響應(yīng)的微凝膠和光催化劑g-C3N4組成。利用無表面活性劑沉淀聚合法可將g-C3N4均勻分散在溫敏微凝膠內(nèi)部得到復(fù)合溫敏微凝膠微球。光催化劑g-C3N4和復(fù)合溫敏微凝膠的具體制備方法參考筆者所在課題組的前期研究[17]。溫敏微凝膠載體的構(gòu)建解決了g-C3N4的團(tuán)聚問題，有效擴(kuò)大了溫敏微凝膠中g(shù)-C3N4的比表面積，進(jìn)而提升了復(fù)合溫敏微凝膠對染料的光催化降解效率。

因此，吸附染料后的復(fù)合溫敏微凝膠對陽光中的紫外線輻射劑量的監(jiān)測和指示的原理是復(fù)合溫敏微凝膠中的光催化劑g-C3N4具有可見光響應(yīng)的特性，在日光照射下產(chǎn)生的活性自由基可快速催化降解微凝膠中吸附的染料。利用染料穩(wěn)定的褪色過程可顯示日光中紫外線輻射的劑量?；诠獯呋瘎ゞ-C3N4對不同類型染料光催化速率的對比研究，利用不同類型染料所需光降解時(shí)長的快慢可以監(jiān)測紫外線對人體皮膚的不同作用程度，以明確紫外線輻射是否達(dá)到人體合成維生素D所需或引發(fā)表皮不同程度病變的紫外線輻射閾值。

3.2 技術(shù)方案

課題組利用一步法無表面活性劑沉淀聚合制得復(fù)合溫敏微凝膠，該方法具有簡單和便捷的特點(diǎn)，非常適合溫敏微凝膠的制備，同時(shí)該方法可將g-C3N4均勻分散在溫敏微凝膠內(nèi)部，有效解決g-C3N4團(tuán)聚和難回收的問題，并進(jìn)一步擴(kuò)大g-C3N4的比表面積。

制備步驟如下。將60 mg g-C3N4在10 mL的去離子水預(yù)先超聲分散30分鐘。于250 mL四口圓底燒瓶中依次加入2.866 mL的OEGMA300、1.847 mL的MEO2MA、0.092 5 g的MBA、10 mL的g-C3N4均勻分散液和148 mL的去離子水，本實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)期間的攪拌速率控制為400 r/min。攪拌溶解充分后，通入氮?dú)庖员Ｗo(hù)移出溶解的氧氣并油浴加熱到70 ℃。取適量的去離子水溶解45 mg的過硫酸銨（APS）后加入四口圓底燒瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下繼續(xù)反應(yīng)5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，將溫度降至室溫，得到復(fù)合溫敏微凝膠的分散液。

由于解決了g-C3N4易團(tuán)聚的問題，因此g-C3N4的比表面積顯著增大，有效增強(qiáng)了對染料的光催化降解性能。制備的復(fù)合溫敏微凝膠具備較好的黏性，因此能夠以各種塊、面、線形涂抹于人體表面，從而為文身貼設(shè)計(jì)中的藝術(shù)具象化提供可實(shí)現(xiàn)的途徑。

借助材料自身良好的自粘性，筆者在實(shí)驗(yàn)中將其涂繪為熊貓形狀（見圖4），模擬人們對文身貼設(shè)計(jì)的藝術(shù)表現(xiàn)。同時(shí)，材料具有優(yōu)異的紫外輻射指示效果：以氙燈作為光源（其光譜與陽光的光譜組成相似），含亞甲基藍(lán)溶液的復(fù)合微凝膠在氙燈照射下約40分鐘可完全褪色（圖案周邊還存在部分染料，是氙燈的光源面積較小，圖案周邊受光照不充分所致），可用于警示使用該文身貼的用戶，紫外線輻射劑量已接近引起人體皮膚紅斑的劑量。對比可見，含中性紅溶液的復(fù)合微凝膠在氙燈照射下約65分鐘才會(huì)完全褪色，可用于警示使用該文身貼的用戶，紫外線輻射劑量已嚴(yán)重超標(biāo)且存在罹患皮膚癌的風(fēng)險(xiǎn)。綜上，可知本課題設(shè)計(jì)的皮膚健康監(jiān)測產(chǎn)品不僅具有高靈敏指示的技術(shù)性能，還能實(shí)現(xiàn)在文身貼設(shè)計(jì)上藝術(shù)表達(dá)的應(yīng)用創(chuàng)新。

3.3 產(chǎn)品優(yōu)勢及創(chuàng)新

產(chǎn)品最大的優(yōu)勢在于材料的技術(shù)性能，基于不同類型染料的光催化降解速率的不同，利用對不同類型染料所需光降解時(shí)長的快慢可以監(jiān)測紫外線輻射對人體皮膚的不同作用程度，以明確紫外線輻射是否達(dá)到人體合成維生素D所需或引發(fā)表皮不同程度病變的紫外線輻射閾值。由于人體皮膚的紫外線輻射閾值受膚色和皮膚類型的影響，不同的人表皮所能承受的紫外線輻射閾值存在差異。而文章研究的皮膚健康產(chǎn)品可根據(jù)不同人種膚色的差異調(diào)整配方，如所吸附的染料溶液的濃度和復(fù)合微凝膠的吸附時(shí)長，以更優(yōu)地匹配不同皮膚類型的檢測靈敏度。

在文身貼設(shè)計(jì)的藝術(shù)表達(dá)上，由于復(fù)合溫敏微凝膠表現(xiàn)為納米級尺寸，且在室溫下處于高彈態(tài)而具有一定的黏附性，因此，可以很便捷地用畫筆甚至手指在人體上描繪圖案，并且黏附于人體表皮。根據(jù)吸附染料的顏色和描繪圖案的自由搭配，吸附染料后溶脹的復(fù)合溫敏微凝膠可以根據(jù)個(gè)人對藝術(shù)表現(xiàn)的認(rèn)知和喜好風(fēng)格便捷地涂繪在皮膚表面，用于靈敏指示紫外線輻照劑量。文章制備的吸附染料的復(fù)合溫敏微凝膠不僅能實(shí)現(xiàn)對紫外線輻照劑量的監(jiān)測和指示，還能實(shí)現(xiàn)在文身貼設(shè)計(jì)藝術(shù)上的創(chuàng)新應(yīng)用。

4 結(jié)語

文章對文身貼發(fā)展歷史和當(dāng)下市場對功能性和美觀性文身貼的需求進(jìn)行了分析，針對紫外線輻射強(qiáng)度監(jiān)測功能，從具有自粘性和可涂繪性的新材料入手進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。研究結(jié)果顯示，紫外線輻射強(qiáng)度監(jiān)測文身貼具有以下優(yōu)點(diǎn)和市場競爭力：首先，利用復(fù)合溫敏微凝膠對染料高效的光催化降解效率和光降解過程的可視化，可靈敏地顯示陽光中紫外線輻射的劑量，用于人體皮膚的健康監(jiān)測和預(yù)警;其次，復(fù)合溫敏微凝膠在室溫下具有良好的自粘性，可滿足文身貼黏附皮膚的要求;最后，復(fù)合溫敏微凝膠的密度和粒度適宜，可供使用者自由發(fā)揮，涂繪成各種圖形以滿足人們對文身貼紋樣藝術(shù)具象化的需求。紫外線輻射強(qiáng)度監(jiān)測元素在文身貼上的應(yīng)用創(chuàng)新融審美性和功能性為一體，具有高靈敏度和便捷性，積極傳達(dá)了新時(shí)代人類健康環(huán)保的生活理念。

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作者簡介：高迪（2002—），女，山東臨沂人，本科在讀，研究方向：溫敏水凝膠、染整廢水處理。

胡能（1996—），男，湖南永州人，碩士，研究方向：含無機(jī)光催化劑的復(fù)合水凝膠。

鐘齊（1981—），男，浙江杭州人，副教授，系本文通訊作者，研究方向：響應(yīng)型凝膠的功能構(gòu)建與轉(zhuǎn)變行為研究、智能紡織品。