高迪，胡能，钟齐

摘要：文身是人类用符号建构自己身体的一种具有悠久历史的独特实践方式，早期以标志身份和地位为主，在现代社会中的装饰作用日益凸显，形式也更加丰富。传统意义上的文身具有持久性和不可更改性，部分崇尚快时尚的爱美人士因此望而却步。本着统一审美性和功能性的设计哲学原则，根据消费者对文身可更改替换和对皮肤健康监测的两大现实需求，研发可监测紫外线辐射剂量的自粘性和可涂绘新型材料，应用于文身贴设计，以满足人们对皮肤健康防护的功能需求和对艺术风格的表达诉求。该设计以复合温敏微凝胶的光催化降解性能为工作原理，利用日光辐照条件下染料褪色的可视化过程显示紫外线辐射剂量，以实现皮肤健康管理。复合温敏微凝胶具有的自粘性和可涂绘性使其能够应用于文身贴的设计，既能满足人们对文身艺术层面的美观诉求，又能实现实用功能的高灵敏度和便捷性。

关键词：文身贴设计;皮肤健康监测;光催化降解;紫外线辐射

中图分类号：TS939 文献标识码：A 文章编号：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风俗，是社会意识形态的文化意蕴和审美范畴[1]。在原始社会，人们文身是出于对自我保护以及获取一种超能量的祈求，文身的有无被视为判断财富和社会地位的象征[2]。随着人类社会的发展，文身的意义发生了本质变化，早已从最初的身份标志转变表达成审美情趣的符号。由于文身在中国古代曾被作为标记罪犯的记号，也曾经在民间广为流行，近现代民众受到日本黑道和我国港台地区黑帮传闻的影响[3]，国人对文身的印象是矛盾的。在欧美国家，除面部文身以外，其他部位的文身都被作为时尚的标记，这股摩登风潮在20世纪末传入中国，促进了文身与身体的紧密联系[4]。

由于正统思想认为诸如文身这类怪诞装饰属于资本主义的腐朽文化表征，追求自我意识的青年人需要承受“反叛者”的舆论压力，为满足好奇者的尝试欲，具有暂时性效果的文身贴应运而生。

1.1 文身贴设计的健康监测功能化趋势

几代暂时性文身贴产品都有保持时间适度、使用方便、便于更换的特点，很好地规避了在真实的文身过程中因卫生消毒不彻底所导致的消费者感染疾病的风险，也弥补了文身难以更新纹样和转换部位的遗憾。2010年春夏，香奈儿在时装发布会上展示了做成项链、手链、脚链的文身贴，这一举动让文身贴这一产品登上了顶级奢侈品的大雅之堂（见图1）。成为服饰设计中的重要部分之后，文身贴开启了功能化设计旅程。

近十年来，以美国研究者为主，先后研发了能够随着血糖值的升高或降低改变颜色的文身贴等产品[6]。这些设计显示出在人们对健康关注度不断提升的过程中，便携性、功能性健康监测产品在日常生活中的地位越发重要，也激发了笔者所在科研团队研究健康监测功能性文身贴设计的热情，文章以可监测日光紫外线辐射文身贴设计为例。

1.2 日常生活中紫外线健康监测的必要性

在欧美人的审美观念中，小麦色的皮肤意味着健康，这种取向也影响了中国人的价值观和日常行为。中国人也开始讲起了日光浴，但臭氧层不断被消耗，太阳光中的紫外线辐射增强，给暴露在阳光中的人体也带来了很大的危害。太阳光中紫外光约占3%，适量的紫外光辐照有利于促进人的骨骼发育、维生素D的合成和增强人体的免疫系统[7]。同时，紫外光也广泛应用于工业生产，如医药治疗、农业杀菌、工业制造等领域[8-9]。然而，短期过度的紫外线辐照可导致皮肤光变态反应、晒伤和晒黑，长期过度的紫外线辐照则可引起皮肤老化，甚至发生皮肤肿瘤[10]。由太阳光中的紫外线辐照导致的皮肤疾病和对人体其他危害的预防研究日渐受到重视和关注。

1.3 具有紫外线健康监测功能文身貼设计的现实需求

预防皮肤损伤和皮肤疾病的关键问题是灵敏、便捷地监测人体皮肤所受的紫外线辐照量是否达到皮肤健康所需的阈值。既要保证身体健康，又要追求自然健美，当人们徘徊在防晒和日光浴之间时，需要更精准的健康监测与指示[11-12]。市场上的主要防晒用品如防晒霜、遮阳伞、防晒衣在针对上述问题时都明显缺乏灵敏度和时尚感。目前，市场上技术发展和应用较成熟的太阳紫外线强度指示产品主要是一类紫外辐照电子检测仪器，其原理是基于紫外光响应的各类元件，将其响应行为进一步转变为电信号后输出显示。此类产品具有高灵敏度和测试范围可调的优点。但此类仪器存在部件结构复杂、须外接电源的问题。综上，用于紫外线强度监测的功能文身贴设计因现实需求具有良好的市场前景。

2 国内外研究现状

当前国内外对可监测紫外线辐射强度的文身贴设计仍处于起步阶段，具有健康监测功能的、可直接接触皮肤用品的研究也还不成熟。主要有以pH值变化易色等为原理的水凝胶微针贴片和依靠电流信号转化的新型指示材料探测器两类。前者因设计主旨为医药品，欠缺美观和时尚元素。后者虽然具有高灵敏的特点和可穿戴的功能，但需要特定的电流信号转化仪器才能有效读取信息，可视化和便捷度还有待提升，在艺术效果的呈现上也受到极大限制。

2.1 基于微针贴片的多生理指标监测文身贴

该文身贴产品为辅助诊断慢性病的水凝胶微针贴片，以极为亲水的三维网络结构凝胶为主要材料。生活中常见的水凝胶有果冻、芦荟胶等，它们可以在水中迅速吸水并溶胀。贴片被设计成正方形，上面分布着上百个由透明质酸做成的微针，这些微针被分成不同区域，每个区域的微针分别装载不同的检测试剂（见图2）。

检测时，可选皮肤平整处贴上贴片，将微针刺入皮下后，透明质酸遇皮肤下间质液会溶解，此时测试试剂可迅速穿透表皮层抵达真皮层后分别测试人体葡萄糖、pH值、尿酸、温度等。检测通常在两三分钟内完成，受测部位会呈现出不同的颜色，和普通文身贴显色效果相同。医生可以通过比对文身显示出的颜色与标准图卡，以数值指标作为大部分慢性病辅助诊断手段。

2.2 基于电流信号转化的新型指示材料探测器

该新型指示材料以具有紫外光敏特性的光致发光材料和具有不同紫外光波长响应的各类无机光催化剂复合而成。其中的紫外光敏特性，是指材料在受到外界紫外光照射后，辐照能量可以使其自身价态由基态跃迁至激发态。由于激发态存在不稳定性，当材料由激发态通过辐射跃迁回到基态时，会附带产生荧光或磷光，因此该类紫外光敏材料具有光致发光的特性。无机光催化剂同样能吸收外界紫外光，并利用辐照能量产生光生电子/空穴对，以发挥引发化学反应、光解水产氢、染料降解等多种功能。

例如，Xu等制备了一种新型自供电的高性能p-CuZnS/n-TiO2 紫外光探测器（见图3）。在紫外光照射下，探测器借助TiO2的光电效应能快速产生光生电子，通过监测材料中的电流变化即可获得响应信号。遗憾的是，目前基于电流信号的指示材料，产生电流信号后需要利用特定的转化仪器才能有效观察到变化，无法满足人们对可穿戴仪器便捷性的要求。

2.3 基于紫外光致变色性能的新型传感材料

Lee等[15]人基于邻硝基苄基（ONB）改性后的可光切割聚合物薄膜设计了一种无电源、环境稳定且灵敏的紫外线传感器。对紫外线的传感机制为该薄膜在暴露于紫外线辐照时会发生不可逆的颜色改变。与大多数常见的光致变色聚合物不同，这种可光裂解的聚合物在很宽的温度范围内物理化学性质稳定，并且不易受氧降解的影响。

为了制造柔性紫外线传感器，研究者将聚合物进一步集成到三层聚合物夹层结构中。简单的两步制造过程中溶剂的使用较少，并且仅使用美国食品和药物管理局批准的可用于人类使用和食品接触的材料。在性能测试中，研究者使用AM1.5太阳模拟器，确定了柔性紫外线传感器的工作性能，并计算了比色指数变化。同时在机械弯曲、暴露于水和防晒霜以及储存5周后测量了紫外线传感器的响应性能。该聚合物传感器具有很长的使用寿命，同时也可以保持灵活性、耐水性和防晒霜兼容性的功能标准。

2.4 基于紫外光辐照引起阻抗变化的新型指示材料

碳纳米管作为传感器的基础，外界的多种变量诸如紫外线辐射都会影响其纳米管的电阻特性，而紫外线辐射不会影响纳米管自身的特性。由于紫外线有帮助氧在碳纳米管上的吸附/解吸的特性，从而改变纳米管的电阻，因此，Kim等人[16]展示了一种用空气封装的新型传感器，其中密闭的空气负责紫外线感应机制，并确保传感器随着时间的推移保持稳定性和可重复性。与之前报道的传感器相比，气穴封装传感器具有快速恢复的特点。在与外部环境隔离的气穴中可以充当固定的氧气储存器，从而获得相同的传感特性。此外，该传感器适应性强，甚至可以在液体环境中使用。

3 设计要点

本着将审美性和功能性相统一的设计原则，根据消费者对文身可更改替换和皮肤健康监测的两大现实需求，文章研究用于监测紫外线辐射强度的自粘性、可涂绘新型材料，应用于文身贴设计，以满足人们对皮肤健康防护的功能需求和艺术风格的表达诉求。

3.1 基本原理

课题设计的皮肤健康监测产品核心部分是吸附染料后的复合温敏微凝胶材料。该复合微凝胶主要由具有温度响应的微凝胶和光催化剂g-C3N4组成。利用无表面活性剂沉淀聚合法可将g-C3N4均匀分散在温敏微凝胶内部得到复合温敏微凝胶微球。光催化剂g-C3N4和复合温敏微凝胶的具体制备方法参考笔者所在课题组的前期研究[17]。温敏微凝胶载体的构建解决了g-C3N4的团聚问题，有效扩大了温敏微凝胶中g-C3N4的比表面积，进而提升了复合温敏微凝胶对染料的光催化降解效率。

因此，吸附染料后的复合温敏微凝胶对阳光中的紫外线辐射剂量的监测和指示的原理是复合温敏微凝胶中的光催化剂g-C3N4具有可见光响应的特性，在日光照射下产生的活性自由基可快速催化降解微凝胶中吸附的染料。利用染料稳定的褪色过程可显示日光中紫外线辐射的剂量。基于光催化剂g-C3N4对不同类型染料光催化速率的对比研究，利用不同类型染料所需光降解时长的快慢可以监测紫外线对人体皮肤的不同作用程度，以明确紫外线辐射是否达到人体合成维生素D所需或引发表皮不同程度病变的紫外线辐射阈值。

3.2 技术方案

课题组利用一步法无表面活性剂沉淀聚合制得复合温敏微凝胶，该方法具有简单和便捷的特点，非常适合温敏微凝胶的制备，同时该方法可将g-C3N4均匀分散在温敏微凝胶内部，有效解决g-C3N4团聚和难回收的问题，并进一步扩大g-C3N4的比表面积。

制备步骤如下。将60 mg g-C3N4在10 mL的去离子水预先超声分散30分钟。于250 mL四口圆底烧瓶中依次加入2.866 mL的OEGMA300、1.847 mL的MEO2MA、0.092 5 g的MBA、10 mL的g-C3N4均匀分散液和148 mL的去离子水，本实验在反应期间的搅拌速率控制为400 r/min。搅拌溶解充分后，通入氮气以保护移出溶解的氧气并油浴加热到70 ℃。取适量的去离子水溶解45 mg的過硫酸铵（APS）后加入四口圆底烧瓶中，在氮气保护的条件下继续反应5小时。反应结束后，将温度降至室温，得到复合温敏微凝胶的分散液。

由于解决了g-C3N4易团聚的问题，因此g-C3N4的比表面积显著增大，有效增强了对染料的光催化降解性能。制备的复合温敏微凝胶具备较好的黏性，因此能够以各种块、面、线形涂抹于人体表面，从而为文身贴设计中的艺术具象化提供可实现的途径。

借助材料自身良好的自粘性，笔者在实验中将其涂绘为熊猫形状（见图4），模拟人们对文身贴设计的艺术表现。同时，材料具有优异的紫外辐射指示效果：以氙灯作为光源（其光谱与阳光的光谱组成相似），含亚甲基蓝溶液的复合微凝胶在氙灯照射下约40分钟可完全褪色（图案周边还存在部分染料，是氙灯的光源面积较小，图案周边受光照不充分所致），可用于警示使用该文身贴的用户，紫外线辐射剂量已接近引起人体皮肤红斑的剂量。对比可见，含中性红溶液的复合微凝胶在氙灯照射下约65分钟才会完全褪色，可用于警示使用该文身贴的用户，紫外线辐射剂量已严重超标且存在罹患皮肤癌的风险。综上，可知本课题设计的皮肤健康监测产品不仅具有高灵敏指示的技术性能，还能实现在文身贴设计上艺术表达的应用创新。

3.3 产品优势及创新

产品最大的优势在于材料的技术性能，基于不同类型染料的光催化降解速率的不同，利用对不同类型染料所需光降解时长的快慢可以监测紫外线辐射对人体皮肤的不同作用程度，以明确紫外线辐射是否达到人体合成维生素D所需或引发表皮不同程度病变的紫外线辐射阈值。由于人体皮肤的紫外线辐射阈值受肤色和皮肤类型的影响，不同的人表皮所能承受的紫外线辐射阈值存在差异。而文章研究的皮肤健康产品可根据不同人种肤色的差异调整配方，如所吸附的染料溶液的浓度和复合微凝胶的吸附时长，以更优地匹配不同皮肤类型的检测灵敏度。

在文身贴设计的艺术表达上，由于复合温敏微凝胶表现为纳米级尺寸，且在室温下处于高弹态而具有一定的黏附性，因此，可以很便捷地用画笔甚至手指在人体上描绘图案，并且黏附于人体表皮。根据吸附染料的颜色和描绘图案的自由搭配，吸附染料后溶胀的复合温敏微凝胶可以根据个人对艺术表现的认知和喜好风格便捷地涂绘在皮肤表面，用于灵敏指示紫外线辐照剂量。文章制备的吸附染料的复合温敏微凝胶不仅能实现对紫外线辐照剂量的监测和指示，还能实现在文身贴设计艺术上的创新应用。

4 结语

文章对文身贴发展历史和当下市场对功能性和美观性文身贴的需求进行了分析，针对紫外线辐射强度监测功能，从具有自粘性和可涂绘性的新材料入手进行创新设计。研究结果显示，紫外线辐射强度监测文身贴具有以下优点和市场竞争力：首先，利用复合温敏微凝胶对染料高效的光催化降解效率和光降解过程的可视化，可灵敏地显示阳光中紫外线辐射的剂量，用于人体皮肤的健康监测和预警;其次，复合温敏微凝胶在室温下具有良好的自粘性，可满足文身贴黏附皮肤的要求;最后，复合温敏微凝胶的密度和粒度适宜，可供使用者自由发挥，涂绘成各种图形以满足人们对文身贴纹样艺术具象化的需求。紫外线辐射强度监测元素在文身贴上的应用创新融审美性和功能性为一体，具有高灵敏度和便捷性，积极传达了新时代人类健康环保的生活理念。

参考文献：

[1] 林嘉熙，魏艳丽，周小儒，等.浅谈中国纹身艺术中图腾纹饰的文化寓意[J].美与时代，2013（1）：70-71.

[2] 林琳.论古代百越及其后裔民族的纹身艺术[J].广西民族研究，2005（4）：141-149.

[3] 姚天冲，齐英如.日本纹身：从黑道标志到文化潮流[J].日本研究，2013（1）：102-108.

[4] 金晓魁.大学生群体的纹身与自我认同研究[J].长春师范大学学报，2019，38（5）：162-166.

[5] 2010香奈儿纹身贴即将风靡[DB/OL].我爱淡香水（博客），http：//blog.sina.com.cn/s/blog_9d7a8d5101010t99.html，2012-03-08.

[6] Bandodkar A J，Jia W Z，Yardimci C，et al . Tattoo-based noninvasive glucose monitoring：A proof-of-concept study[J]. Analytical Chemistry，2015，87（1）：394-398.

[7] Diffey B L . Solar ultraviolet radiation effectson biological systems[J]. Physics in Medicine and Biology，1991，36（3）：299-328.

[8] Kim S J，Moon D，Seol M，et al . Wearable UV sensor based on carbon nanotube-coated cotton thread[J]. ACS Applied Materials&Interfaces，2018，10（46）：40198-40202.

[9] Wacker M，Holick M F . Sunlight and Vitamin D[J]. Dermato-Endocrinology，2013，5（1）：51-108.

[10] Pudroma X，Duoji G，Grigalavicius M，et a1 . Molecular mechanisms of UVA-induced melanoma[J]. J Environ Pathol Toxicol Oncol，2017，36（3）：217-228.

[11] Hu N，Lin L，Tan J，et al . Wearable bracelet monitoring the solar ultraviolet radiation for skin health based on hybrid IPN hydrogels[J]. ACS Applied Materials&Interfaces，2020，12（50）：56480-56490.

[12] Li J，Lee C S，Lee S . Efficient UV-sensitive organic photovoltaic devices using A starburst amine as electron donor[J]. Journal of Materials Chemistry，2005，15（32）：3268-3271.

[13] He R Y，Liu H，Fang T S，et al . A colorimetric dermal tattoo biosensor fabricated by microneedle patch for multiplexed detection of health-related biomarkers[J]. Advanced Science，2021，8（24）：2103030.

[14] Xu X J，Chen J X，Cai S，et al . A Real-time wearable UV-radiation monitor based on a high-performance p-CuZnS/n-TiO2 photodetector[J]. Advanced Materials，2018，43（30）：1803165.

[15] Lee M E，Armani AM . Flexible UV exposure sensor based on UV responsive polymer[J]. ACS Sensors，2016，1（10）：1251-1255.

[16] Kim S J，Han J W，Kim B，et al . Single walled carbon nanotube based air pocket encapsulated ultraviolet sensor[J]. ACS Sensors，2017，2（11）：1679-1683.

[17] Hu N，Wang W J，Lei L，et al . A hydrogen evolution system based on hybrid nanogel films with capabilities of spontaneous moisture collection and high light harvesting[J]. Green Chemistry，2021，23（22）：8969-8978.

作者簡介：高迪（2002—），女，山东临沂人，本科在读，研究方向：温敏水凝胶、染整废水处理。

胡能（1996—），男，湖南永州人，硕士，研究方向：含无机光催化剂的复合水凝胶。

钟齐（1981—），男，浙江杭州人，副教授，系本文通讯作者，研究方向：响应型凝胶的功能构建与转变行为研究、智能纺织品。