皮肤作为人类与环境互动的主要界面，它与外部热、光和机械刺激的相互作用对生物研究、医学治疗和生物医学技术具有重大意义。近日，美国东北大学郑义教授课题组开发了一种表皮光学组织模型 (OTP)，模仿人类皮肤从紫外线到红外线波段的光学特性，其波长范围超过了现有研究。该表皮组织模型使用了环氧树脂基质与模仿黑色素的聚多巴胺 (PDA)，通过一种具有成本效益的制造策略相结合。根据测量值反射率和透射率，计算出了随波长变化的复合折射率和吸收系数。结果与相关文献数据比较，表明了与真实人类表皮的一致性。此外，分析了典型皮肤温度下的发射功率，展示出该表皮组织模型能够准确模拟人类皮肤的辐射特性。这项工作呈现的简单、多功能的材料代表了一种可用于各种医疗和生物工程应用的人体组织替代品。该论文发表于 ACS Applied Bio Materials。
组织模型作为模仿皮肤关键特性的复合材料在生物医学应用中实现了更一致的属性，减少了存储和处理的复杂性，比真实样品更具优势。为了研究光学特性，近年来，研究人员在创建光学组织模型（OTPs）方面取得了很大进展，并证实对皮肤光学反应至关重要的吸收行为与皮肤表层组织中的黑色素相关。但由于表皮层厚度随身体位置而变化，相关的OTP通常以70 μm - 150 μm的厚度为目标，这为制造相对较小厚度并反映光学特性的薄膜提出了挑战。且现有工作缺少对皮肤在长波段的光学特性的研究。因此，该工作基于环氧树脂和PDA与人体表皮的生物成分有很强的光学相似性以及易于制造的特点，利用低成本的薄膜制备技术，组成表皮光学组织模型。实现了不同厚度的模型，并扩大了皮肤光学特性模拟的波长范围（0.35 μm-15 μm）。该组织模型热辐射率接近真实的人体皮肤，为更多的应用可能性打开了大门。
表皮组织模型 (OTP) 的制造如图1 (B) 所示。薄膜涂抹器用来约束样品厚度，薄膜涂抹机以低速、水平地方式推动薄膜涂抹器。环氧树脂-PDA混合物被倒在涂抹器后侧。当涂抹机开始工作时，涂抹器被杆推动，混合物被推过涂抹器底部的狭窄开口，形成规定厚度的薄膜。使用这个程序，制备了78μm、106μm、138μm和152μm的OTP薄膜。
图1. 皮肤结构和OTP的制造。(A) 皮肤层的示意图，表皮的详细视图。(B) OTP薄膜的制造过程。
图2 描述了不同厚度的薄膜在紫外线、可见光和近红外区域的反射率和透射率。并制作了108μm厚度的纯环氧树脂（无PDA）的薄膜进行比较。纯环氧树脂在整个区域表现出接近零的反射率和高透射率。加入PDA后，反射率增加，并随波长的变化略有不同。虽然PDA主要作为吸收剂，但它的小颗粒也增强了复合材料内的散射，推动了反射率的增加。图2(B) 表明，PDA夹杂物产生了理想的黑色素模仿效果。与纯环氧树脂相比，OTP在紫外线波段的透射率平均下降了60%以上，表明了强烈的紫外线阻挡作用。此外，PDA在近红外区域继续表现出强烈的宽带吸收，这也是真实黑色素的情况。同时，四个OTP样品的曲线显示了反射率和吸收率是如何与厚度成正比的，特别是在可见光区域。
图2. 在紫外、可见和近红外区域的反射率和透射率。(A）不同厚度的表皮OTP样品的反射率和（B）透射率。纯环氧树脂的数值被显示出来以进行比较。(B)的插图显示了用于表征的四种不同厚度的OTP薄膜。
利用图2的结果，计算出与波长有关的复折射率n + iκ，采用El-Zaiat的计算方法，将表皮OPT简化为厚度为t的各向同性的平板。从反射率、透射率和厚度测量中得到每个波长的复折射率，如图3所示。为了确认这种计算方法的有效性并量化其准确性，进行了RCWA模拟比较。误差显示在图3 (F-H)中。结果表明，复折射率的计算方法是准确的，并且计算出的反射率与透射率曲线与测量结果非常匹配。
图3. 紫外线、可见光和近红外区域的复合折射率。(A)-(D) 不同厚度的表皮OTP薄膜的计算n和κ值。左边和右边的轴分别对应于n和κ。(E)-(H) 反射率和透射率的实测值与RCWA计算的对应值相比较。
为了评估表皮OTP在模仿皮肤光学特性方面的成功，使用了多种来源进行比较。图4 (A) 显示了OTP与人类表皮的反射率和透射率的一致性。在图4 (B) 中，表皮OTP的计算n值在可见光区域以上的波长，几乎与Ding等人的值完全一致。在850nm之后表现出相同的特征性驼峰。计算出的吸收系数显示在图4(C)中，并与相关文献比较。已公布的表皮吸收系数值范围相当大，这与皮肤颜色深浅有关。深色皮肤的吸收系数在靠近紫外线波长时上升到20。无论吸收系数大小，所有的来源都显示出随着波长的增加，其大小会下降，在对数尺度上看起来大多是线性的。这项工作中的计算值也是如此。虽然它们的量级偏高，但仍在既定的数值范围内。
图4. 表皮OTP与已发表的人体表皮在紫外、可见和近红外区域的结果比较。表皮OTP和人体表皮组织的比较：（A）反射率和透射率。（B）复合折射率。（C）吸收系数。
皮肤的详细光学特征在较长波长下较少被进行研究。图5展示了OTP在2.5μm-15μm的波长下的光学特性，并计算确定该波长区域的复合折射率。n的值接近短波长区域的值。并且该区域的计算误差普遍较低，只有偶尔的峰值，但不超过25%。此外，κ的值在3.5μm左右下降，然后在7.5μm时大幅上升。这与人体组织的吸收特性非常吻合，人体组织在大气窗口 (8- 13μm) 有很强的发射率。图6通过比较真实人体皮肤的吸收率和计算黑体、人体皮肤和表皮OTP的光谱辐射率，说明了表皮OTP在热波段如何有效替代人体皮肤。
图5. 近红外和中红外区域的复合折射率。(A)-(D) 不同厚度的表皮OTP薄膜的n和κ值的计算。左边和右边的轴分别对应于n和κ。(E)-(H) 反射率和透射率的实测值与RCWA计算的对应值相比较。
图6. 汇编的光谱结果。(A) 表皮OTP和人体皮肤（所有层）的吸收率。(B) 表皮OTP、人体皮肤（所有层）和黑体发射器的光谱辐射率。每个物质的相应发射功率显示在插图中。(C) 表皮OTP的反射率和透射率。（D）表皮OTP的复合折射率。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.2c00660
下载：Optical Epidermal Mimicry from Ultraviolet to Infrared Wavelengths
