呼吸是維持人類生命的重要生理行為，通過監(jiān)測呼吸行為可以有效預(yù)測、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，對疾病診斷和健康管理至關(guān)重要?，F(xiàn)有商用多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀（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)測需求，開發(fā)便攜式可穿戴的呼吸監(jiān)測設(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)測中顯示出巨大優(yōu)勢，例如通過同時(shí)監(jiān)測呼吸時(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不同類型呼吸模式的監(jiān)測信號(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、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

審核編輯 黃宇