呼吸是維持人類生命的重要生理行為，通過監(jiān)測(cè)呼吸行為可以有效預(yù)測(cè)、篩查和診斷阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征、心血管疾病、哮喘或癲癇等各種疾病，對(duì)疾病診斷和健康管理至關(guān)重要。現(xiàn)有商用多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀（PSG）因操作繁瑣、成本高昂且佩戴舒適性差，僅限醫(yī)院患者使用，難以滿足不同人群靈活廣泛的呼吸監(jiān)測(cè)需求，開發(fā)便攜式可穿戴的呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備迫在眉睫。柔性電子傳感器通過將壓力、溫濕度等刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，為可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)提供了新思路。但是，當(dāng)前研究多集中于單一刺激響應(yīng)（如胸腹運(yùn)動(dòng)或鼻孔氣流溫度）或單一電信號(hào)輸出，監(jiān)測(cè)結(jié)果極易受環(huán)境干擾；同時(shí)因目前導(dǎo)電柔性載體性能不足，導(dǎo)致其傳感器無法對(duì)鼻息氣流中的壓力和溫度刺激進(jìn)行獨(dú)立響應(yīng)。因此，如何開發(fā)能夠獨(dú)立且同步感知鼻息氣流中壓力/溫度的多模態(tài)信號(hào)、兼具高靈敏度與舒適性的高性能呼吸傳感器，仍然是當(dāng)前領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

為此，在前期開發(fā)的纖維素水凝膠多模式呼吸傳感器（Advanced Functional Materials, 2022, 32, (40): 2204686）的基礎(chǔ)上，廣州醫(yī)科大學(xué)劉珍珍教授和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉濤副研究員，合作開發(fā)了一種基于共晶凝膠的多模態(tài)超靈敏呼吸傳感器（圖1），用于監(jiān)測(cè)呼吸和診斷阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征。通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)控和引入共晶溶劑，制備的ATH 共晶凝膠表現(xiàn)出低模量、自愈合、高離子導(dǎo)電性、優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和細(xì)胞相容性等突出優(yōu)點(diǎn)（圖2）。共晶凝膠與基質(zhì)之間的多重強(qiáng)相互作用，使其對(duì)生物組織和其他基質(zhì)具有優(yōu)異的自粘合力，可以很好的貼合皮膚表面。

圖1 基于ATH 共晶凝膠構(gòu)建的高靈敏多模呼吸傳感器的結(jié)構(gòu)與性能示意圖。

圖2 ATH共晶凝膠的粘合性能、環(huán)境穩(wěn)定性、細(xì)胞相容性和皮膚敏感性等測(cè)試結(jié)果

在優(yōu)化共晶凝膠結(jié)構(gòu)與性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過合理的電路設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的多模態(tài)柔性傳感器。與其他已報(bào)道的凝膠型壓力傳感器相比，這種傳感器的壓力靈敏度要高得多，可以有效監(jiān)測(cè)呼吸氣流、呼吸運(yùn)動(dòng)的胸腔和腹腔變化，并且能獨(dú)立地同時(shí)檢測(cè)鼻孔氣流的壓力和溫度變化（圖3和 圖4）。得益于制備的共晶凝膠呼吸傳感器對(duì)壓力和溫度的超高靈敏性和去耦效果，在連續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)中顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，例如通過同時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸時(shí)鼻息氣流和胸腹腔等五個(gè)通道，有效避免了僅檢測(cè)單一刺激時(shí)的環(huán)境干擾和運(yùn)動(dòng)偽影，從而顯著提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在診斷呼吸相關(guān)疾病領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

圖3 基于ATH共晶凝膠構(gòu)建的超靈敏呼吸傳感器對(duì)不同類型呼吸模式的監(jiān)測(cè)信號(hào)

圖4 基于ATH共晶凝膠構(gòu)建的超靈敏呼吸傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸過程中的壓力和溫度信號(hào)

圖5 通過ATH共晶凝膠傳感器，實(shí)現(xiàn)五個(gè)通道同步監(jiān)測(cè)模擬呼吸暫停綜合征的呼吸行為

相關(guān)研究成果以“A crosslinked eutectogel for ultrasensitive pressure and temperature monitoring from nostril airflow”為題發(fā)表于Nature Communications期刊上。論文第一作者為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉濤副研究員，已畢業(yè)碩士研究生吳啟楠為共同第一作者，通訊作者為廣州醫(yī)科大學(xué)劉珍珍教授。同時(shí)，該工作得到了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王清文教授、易欣副教授和澳門大學(xué)周冰樸教授的大力支持和幫助，得到了廣東省杰出青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

審核編輯 黃宇