紫外線輻射強度監測元素在文身貼設計中的創新應用研究

高迪，胡能，鐘齊

摘要：文身是人類用符號建構自己身體的一種具有悠久歷史的獨特實踐方式，早期以標志身份和地位為主，在現代社會中的裝飾作用日益凸顯，形式也更加豐富。傳統意義上的文身具有持久性和不可更改性，部分崇尚快時尚的愛美人士因此望而卻步。本著統一審美性和功能性的設計哲學原則，根據消費者對文身可更改替換和對皮膚健康監測的兩大現實需求，研發可監測紫外線輻射劑量的自粘性和可涂繪新型材料，應用于文身貼設計，以滿足人們對皮膚健康防護的功能需求和對藝術風格的表達訴求。該設計以復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，以實現皮膚健康管理。復合溫敏微凝膠具有的自粘性和可涂繪性使其能夠應用于文身貼的設計，既能滿足人們對文身藝術層面的美觀訴求，又能實現實用功能的高靈敏度和便捷性。

關鍵詞：文身貼設計;皮膚健康監測;光催化降解;紫外線輻射

中圖分類號：TS939 文獻標識碼：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俗，是社會意識形態的文化意蘊和審美范疇[1]。在原始社會，人們文身是出于對自我保護以及獲取一種超能量的祈求，文身的有無被視為判斷財富和社會地位的象征[2]。隨著人類社會的發展，文身的意義發生了本質變化，早已從最初的身份標志轉變表達成審美情趣的符號。由于文身在中國古代曾被作為標記罪犯的記號，也曾經在民間廣為流行，近現代民眾受到日本黑道和我國港臺地區黑幫傳聞的影響[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尚的標記，這股摩登風潮在20世紀末傳入中國，促進了文身與身體的緊密聯系[4]。

由于正統思想認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，具有暫時性效果的文身貼應運而生。

1.1 文身貼設計的健康監測功能化趨勢

幾代暫時性文身貼產品都有保持時間適度、使用方便、便于更換的特點，很好地規避了在真實的文身過程中因衛生消毒不徹底所導致的消費者感染疾病的風險，也彌補了文身難以更新紋樣和轉換部位的遺憾。2010年春夏，香奈兒在時裝發布會上展示了做成項鏈、手鏈、腳鏈的文身貼，這一舉動讓文身貼這一產品登上了頂級奢侈品的大雅之堂（見圖1）。成為服飾設計中的重要部分之后，文身貼開啟了功能化設計旅程。

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

1.2 日常生活中紫外線健康監測的必要性

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，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人的骨骼發育、維生素D的合成和增強人體的免疫系統[7]。同時，紫外光也廣泛應用于工業生產，如醫藥治療、農業殺菌、工業制造等領域[8-9]。然而，短期過度的紫外線輻照可導致皮膚光變態反應、曬傷和曬黑，長期過度的紫外線輻照則可引起皮膚老化，甚至發生皮膚腫瘤[10]。由太陽光中的紫外線輻照導致的皮膚疾病和對人體其他危害的預防研究日漸受到重視和關注。

1.3 具有紫外線健康監測功能文身貼設計的現實需求

預防皮膚損傷和皮膚疾病的關鍵問題是靈敏、便捷地監測人體皮膚所受的紫外線輻照量是否達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，當人們徘徊在防曬和日光浴之間時，需要更精準的健康監測與指示[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都明顯缺乏靈敏度和時尚感。目前，市場上技術發展和應用較成熟的太陽紫外線強度指示產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的各類元件，將其響應行為進一步轉變為電信號后輸出顯示。此類產品具有高靈敏度和測試范圍可調的優點。但此類儀器存在部件結構復雜、須外接電源的問題。綜上，用于紫外線強度監測的功能文身貼設計因現實需求具有良好的市場前景。

2 國內外研究現狀

當前國內外對可監測紫外線輻射強度的文身貼設計仍處于起步階段，具有健康監測功能的、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化的新型指示材料探測器兩類。前者因設計主旨為醫藥品，欠缺美觀和時尚元素。后者雖然具有高靈敏的特點和可穿戴的功能，但需要特定的電流信號轉化儀器才能有效讀取信息，可視化和便捷度還有待提升，在藝術效果的呈現上也受到極大限制。

2.1 基于微針貼片的多生理指標監測文身貼

該文身貼產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絡結構凝膠為主要材料。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。貼片被設計成正方形，上面分布著上百個由透明質酸做成的微針，這些微針被分成不同區域，每個區域的微針分別裝載不同的檢測試劑（見圖2）。

檢測時，可選皮膚平整處貼上貼片，將微針刺入皮下后，透明質酸遇皮膚下間質液會溶解，此時測試試劑可迅速穿透表皮層抵達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完成，受測部位會呈現出不同的顏色，和普通文身貼顯色效果相同。醫生可以通過比對文身顯示出的顏色與標準圖卡，以數值指標作為大部分慢性病輔助診斷手段。

2.2 基于電流信號轉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光材料和具有不同紫外光波長響應的各類無機光催化劑復合而成。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態由基態躍遷至激發態。由于激發態存在不穩定性，當材料由激發態通過輻射躍遷回到基態時，會附帶產生熒光或磷光，因此該類紫外光敏材料具有光致發光的特性。無機光催化劑同樣能吸收外界紫外光，并利用輻照能量產生光生電子/空穴對，以發揮引發化學反應、光解水產氫、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的光電效應能快速產生光生電子，通過監測材料中的電流變化即可獲得響應信號。遺憾的是，目前基于電流信號的指示材料，產生電流信號后需要利用特定的轉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計了一種無電源、環境穩定且靈敏的紫外線傳感器。對紫外線的傳感機制為該薄膜在暴露于紫外線輻照時會發生不可逆的顏色改變。與大多數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物理化學性質穩定，并且不易受氧降解的影響。

為了制造柔性紫外線傳感器，研究者將聚合物進一步集成到三層聚合物夾層結構中。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，并計算了比色指數變化。同時在機械彎曲、暴露于水和防曬霜以及儲存5周后測量了紫外線傳感器的響應性能。該聚合物傳感器具有很長的使用壽命，同時也可以保持靈活性、耐水性和防曬霜兼容性的功能標準。

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，外界的多種變量諸如紫外線輻射都會影響其納米管的電阻特性，而紫外線輻射不會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，其中密閉的空氣負責紫外線感應機制，并確保傳感器隨著時間的推移保持穩定性和可重復性。與之前報道的傳感器相比，氣穴封裝傳感器具有快速恢復的特點。在與外部環境隔離的氣穴中可以充當固定的氧氣儲存器，從而獲得相同的傳感特性。此外，該傳感器適應性強，甚至可以在液體環境中使用。

3 設計要點

本著將審美性和功能性相統一的設計原則，根據消費者對文身可更改替換和皮膚健康監測的兩大現實需求，文章研究用于監測紫外線輻射強度的自粘性、可涂繪新型材料，應用于文身貼設計，以滿足人們對皮膚健康防護的功能需求和藝術風格的表達訴求。

3.1 基本原理

課題設計的皮膚健康監測產品核心部分是吸附染料后的復合溫敏微凝膠材料。該復合微凝膠主要由具有溫度響應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部得到復合溫敏微凝膠微球。光催化劑g-C3N4和復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建解決了g-C3N4的團聚問題，有效擴大了溫敏微凝膠中g-C3N4的比表面積，進而提升了復合溫敏微凝膠對染料的光催化降解效率。

因此，吸附染料后的復合溫敏微凝膠對陽光中的紫外線輻射劑量的監測和指示的原理是復合溫敏微凝膠中的光催化劑g-C3N4具有可見光響應的特性，在日光照射下產生的活性自由基可快速催化降解微凝膠中吸附的染料。利用染料穩定的褪色過程可顯示日光中紫外線輻射的劑量。基于光催化劑g-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長的快慢可以監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到人體合成維生素D所需或引發表皮不同程度病變的紫外線輻射閾值。

3.2 技術方案

課題組利用一步法無表面活性劑沉淀聚合制得復合溫敏微凝膠，該方法具有簡單和便捷的特點，非常適合溫敏微凝膠的制備，同時該方法可將g-C3N4均勻分散在溫敏微凝膠內部，有效解決g-C3N4團聚和難回收的問題，并進一步擴大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，本實驗在反應期間的攪拌速率控制為400 r/min。攪拌溶解充分后，通入氮氣以保護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，在氮氣保護的條件下繼續反應5小時。反應結束后，將溫度降至室溫，得到復合溫敏微凝膠的分散液。

由于解決了g-C3N4易團聚的問題，因此g-C3N4的比表面積顯著增大，有效增強了對染料的光催化降解性能。制備的復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，從而為文身貼設計中的藝術具象化提供可實現的途徑。

借助材料自身良好的自粘性，筆者在實驗中將其涂繪為熊貓形狀（見圖4），模擬人們對文身貼設計的藝術表現。同時，材料具有優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），含亞甲基藍溶液的復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，含中性紅溶液的復合微凝膠在氙燈照射下約65分鐘才會完全褪色，可用于警示使用該文身貼的用戶，紫外線輻射劑量已嚴重超標且存在罹患皮膚癌的風險。綜上，可知本課題設計的皮膚健康監測產品不僅具有高靈敏指示的技術性能，還能實現在文身貼設計上藝術表達的應用創新。

3.3 產品優勢及創新

產品最大的優勢在于材料的技術性能，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長的快慢可以監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到人體合成維生素D所需或引發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品可根據不同人種膚色的差異調整配方，如所吸附的染料溶液的濃度和復合微凝膠的吸附時長，以更優地匹配不同皮膚類型的檢測靈敏度。

在文身貼設計的藝術表達上，由于復合溫敏微凝膠表現為納米級尺寸，且在室溫下處于高彈態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合溫敏微凝膠可以根據個人對藝術表現的認知和喜好風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合溫敏微凝膠不僅能實現對紫外線輻照劑量的監測和指示，還能實現在文身貼設計藝術上的創新應用。

4 結語

文章對文身貼發展歷史和當下市場對功能性和美觀性文身貼的需求進行了分析，針對紫外線輻射強度監測功能，從具有自粘性和可涂繪性的新材料入手進行創新設計。研究結果顯示，紫外線輻射強度監測文身貼具有以下優點和市場競爭力：首先，利用復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測和預警;其次，復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，復合溫敏微凝膠的密度和粒度適宜，可供使用者自由發揮，涂繪成各種圖形以滿足人們對文身貼紋樣藝術具象化的需求。紫外線輻射強度監測元素在文身貼上的應用創新融審美性和功能性為一體，具有高靈敏度和便捷性，積極傳達了新時代人類健康環保的生活理念。

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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：含無機光催化劑的復合水凝膠。

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