全球呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率持續(xù)攀升，亟需高效診斷工具。當(dāng)前可穿戴設(shè)備雖能監(jiān)測(cè)汗液、唾液等體液，但對(duì)呼出氣冷凝液（EBC）的連續(xù)采樣與分析仍面臨挑戰(zhàn)——日?；顒?dòng)中難以穩(wěn)定獲取EBC樣本。尤其對(duì)于呼吸性堿中毒患者（常伴隨頭暈、昏厥），臨床依賴有創(chuàng)的動(dòng)脈血?dú)夥治觯ˋBC）評(píng)估血液酸堿失衡，但頻繁采血不具操作性。呼吸節(jié)律紊亂作為早期病理信號(hào)，其產(chǎn)生的微弱氣壓（常低于0.3 Pa）也超出傳統(tǒng)壓阻傳感器的檢測(cè)極限。

同濟(jì)大學(xué)任杰教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于離子凝膠微針（IMN-1/2）的可穿戴口罩，通過金字塔形微陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超低壓傳感（0.3 Pa）與超高靈敏度（2980.23 kPa?1）。該設(shè)備整合印刷電路板（PCB）和藍(lán)牙模塊，可無線傳輸呼吸壓力、頻率及模式數(shù)據(jù)，同時(shí)利用pH響應(yīng)型熒光交聯(lián)劑監(jiān)測(cè)EBC酸堿度變化。微針的雙親特性（親水性單體DMAA與疏水性離子液體[t-Bu?]TFSI平衡）在限制溶脹的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可控吸水，確保長(zhǎng)期導(dǎo)電穩(wěn)定性。更突破性的是，其強(qiáng)粘附性可密封口罩閥門，通過物理阻隔提升CO?復(fù)吸入，直接調(diào)節(jié)患者動(dòng)脈血pH值，實(shí)現(xiàn)診療一體化。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)與核心性能

微針通過定制PDMS模具光聚合制備，透明淡黃色金字塔結(jié)構(gòu)（針高830 μm）具備梯度孔隙（2.8-7.9 nm）。有限元模擬（圖2f）顯示，0.5 Pa壓力下IMN-1/2形變率達(dá)13.6%，而傳統(tǒng)離子凝膠（IG-1/2）幾乎無響應(yīng)。這種形變放大效應(yīng)源于微針尖端的極小接觸面積，顯著縮短離子遷移路徑。雙親設(shè)計(jì)使微針接觸角10分鐘內(nèi)從102.7°降至41.9°（圖2h），吸水率穩(wěn)定在1.6%（圖2i），避免溶脹導(dǎo)致的離子液體泄漏。

圖1 梯度離子凝膠微針（IMN）口罩診療呼吸性堿中毒示意圖。 a) 血液與EBC間生物標(biāo)志物交換過程； b) 口罩組裝剖面圖及藍(lán)牙實(shí)時(shí)呼吸壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； c) 相同壓力下IMN與離子凝膠（IG）形變對(duì)比； d) PCB電路控制系統(tǒng)正反面視圖； e) 不同pH PBS緩沖液處理后的IMN熒光響應(yīng)； f) IMN-1/2的熒光圖像。

圖2 IMN基礎(chǔ)表征。 a) 紫外光聚合制備流程； b) IMN-1/2實(shí)物圖； c) 微針尖端SEM（插圖為光學(xué)顯微鏡圖像）； d) 微針橫截面SEM； e) N1s與C1s元素的XPS分析； f) 有限元形變模擬； g) 微針吸水示意圖； h) IG-1/2與IMN-1/2接觸角變化（20分鐘）； i) 浸水48小時(shí)后質(zhì)量變化率。

傳感性能測(cè)試揭示IMN-1/2在0.3 Pa壓力下電阻變化率（ΔR/R?）達(dá)10.9%，遠(yuǎn)超IG-1/2（近乎零響應(yīng)）。其靈敏度在低壓區(qū)（<10 Pa）達(dá)2980.23 kPa?1，比均質(zhì)凝膠提升103%（圖3b）。機(jī)制在于相同壓力下（100 Pa），微針內(nèi)部孔隙壓縮形變（61.98%）是傳統(tǒng)凝膠（1.32%）的47倍（圖3c）。經(jīng)10,000次壓縮循環(huán)，電阻穩(wěn)定性保持≈85%，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間僅40/70毫秒（圖3d-e）。15×15柔性傳感器陣列甚至可檢測(cè)羽毛觸壓（圖3g）。

圖3 IMN-1/2壓力傳感性能。 a) IMN-1/2與IG-1/2在0.3-150 Pa壓力下的電阻響應(yīng)； b) 靈敏度對(duì)比； c) 100 Pa壓力下孔隙形變有限元模擬及離子遷移路徑； d) 耐久性測(cè)試（插圖為循環(huán)前后SEM）； e) 響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間； f) 柔性傳感器陣列組裝示意圖； g) 陣列對(duì)不同物體的壓力感知。

生物安全與臨床驗(yàn)證

生物相容性實(shí)驗(yàn)證實(shí)：兔皮內(nèi)注射微針提取物72小時(shí)后無紅腫或炎癥細(xì)胞（圖4b）；大鼠吸入霧化提取物14天，呼吸道組織未見纖維化（圖4g）。加速老化及實(shí)時(shí)30天測(cè)試表明，其傳感穩(wěn)定性與吸水率未衰減。

圖4 生物相容性測(cè)試。 a) 皮內(nèi)刺激實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； b) 兔背部注射點(diǎn)組織學(xué)分析（H&E染色）； c) 呼吸道毒性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； d) 大鼠運(yùn)動(dòng)軌跡熱力圖； e) 活動(dòng)區(qū)域統(tǒng)計(jì)； f) 大鼠健康狀態(tài)觀察； g) 呼吸道組織H&E染色。

將微針離子凝膠貼片和PCB（30×35 mm2）與藍(lán)牙模塊集成在口罩上，實(shí)時(shí)顯示呼吸模式（圖5e-f）。對(duì)比同類離子凝膠傳感器（圖5g），其檢測(cè)下限（0.3 Pa）與靈敏度均為當(dāng)前最優(yōu)。關(guān)鍵創(chuàng)新在于同步實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)與治療：當(dāng)EBC滲透微針時(shí)，弱堿性環(huán)境使熒光交聯(lián)劑[VIm-3]TFSI的咪唑環(huán)去質(zhì)子化，抑制苯環(huán)至咪唑環(huán)的電子轉(zhuǎn)移，熒光強(qiáng)度隨pH上升而降低（圖6e-f），據(jù)此反演血液酸堿狀態(tài)。密封測(cè)試（圖6g）顯示微針阻隔人工煙霧效率超95%。

圖5 智能口罩無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 a) PCB正面核心組件； b) PCB背面核心組件； c) 功能模塊框圖； d) 佩戴效果； e) 鼻呼吸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； f) 口呼吸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； g) 與已報(bào)道離子凝膠的性能對(duì)比； h) 先進(jìn)可穿戴設(shè)備功能對(duì)比。

圖6 呼吸性堿中毒診療機(jī)制。 a) 熒光交聯(lián)劑[VIm-3]TFSI的時(shí)間分辨熒光衰減； b) HOMO/LUMO軌道能級(jí)圖； c) 空穴-電子分布； d) IMN熒光光譜； e) 不同pH PBS霧化處理后IMN-1/2熒光曲線； f) 熒光強(qiáng)度與pH的函數(shù)關(guān)系； g) 人工煙霧驗(yàn)證口罩密封性； h) 志愿者EBC收集8小時(shí)后熒光強(qiáng)度與pH變化。

志愿者試驗(yàn)

6名志愿者佩戴8小時(shí)后，動(dòng)脈血平均PCO?從37.17 mmHg升至41.17 mmHg（↑10.76%），pH從7.448降至7.412，同時(shí)EBC熒光強(qiáng)度變化推算的pH值與動(dòng)脈血結(jié)果一致（圖6h）。血氧參數(shù)（PO?、SpO?）保持安全范圍，證實(shí)治療安全性。

應(yīng)用前景

該研究首創(chuàng)了"監(jiān)測(cè)-診斷-治療"閉環(huán)系統(tǒng)：微針金字塔結(jié)構(gòu)攻克了微弱呼吸壓檢測(cè)難題，雙親凝膠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)EBC長(zhǎng)期穩(wěn)定分析，而物理阻隔療法為呼吸性堿中毒提供了無創(chuàng)干預(yù)新策略。未來有望拓展至慢阻肺等呼吸疾病管理，推動(dòng)微針貼片在個(gè)性化醫(yī)療中的應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿