研究背景

呼吸作为人类必须的行为，不仅维持生命正常进行，而且可以作为评估人体健康的重要特征。严重的呼吸问题会诱发一系列疾病，例如阻塞性睡眠呼吸暂停综合征 (OSAS)、阿尔茨海默病、和心血管疾病。因此，有效监测呼吸行为对于人体健康监测和预测人类疾病至关重要。目前临床呼吸监测设备仅在医院的重症监护室可用。因此，研制具有高精度、佩戴舒适性、便携性和环境耐受性的呼吸监测系统是必要的。

文章概述

近，华南农业大学刘珍珍教授团队报告了一种具有优异综合性能的多模式纤维素水凝胶传感器，用于监测呼吸和诊断阻塞性睡眠呼吸暂停综合征，由于水凝胶网络内化学交联和多氢键之间的协同作用，这种合成的双交联纤维素水凝胶(CH-GT)在室温和极端温度条件下都表现出优异的机械性能和稳定性。所设计的水凝胶传感器两种传感模式，可以分别通过电容和电阻的输出信号独立监测机械变化和热变化。这个单一的CH-GT水凝胶传感器可以检测鼻息气流的温度变化以及胸部/腹部和脉搏的机械力变化。同时，制备的水凝胶传感器具有20 ms的快速响应时间、10 mg微小水滴的高灵敏度以及广的温度耐受性(-40至60oC)。该水凝胶传感器通过模拟睡眠期间的呼吸暂停状态成功应用于诊断阻塞性睡眠呼吸暂停综合征。这项工作为可穿戴电子传感器在呼吸监测和预测睡眠障碍等疾病方面提供了新方法。相关成果以“Multimodal Hydrogel-based Respiratory Monitoring System for Diagnosing Obstructive Sleep Apnea Syndrome”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图文导读

图1 用于监测呼吸的多模式传感能力的纤维素水凝胶传感器的示意图

将化学交联纤维素水凝胶(CH)水凝胶浸泡在不同单宁酸(TA)的甘油-水-NaCl溶液中，生成CH-GT水凝胶。加入TA与纤维素的羟基形成多重氢键，提高了水凝胶的机械强度。

图2 多模式 CH-GT 水凝胶传感器的结构设计和传感机制

设计了一种夹层结构，将商业弹性体作为介电膜夹在两个CH-GT水凝胶层之间。当电极2和3连接时，形成一个平行板电容传感器构建了机械应变电容传感器；当电极1和2连接时，形成了温度敏感的离子电阻传感器。因此，机械和热刺激信号可以分别由单一水凝胶传感器中的电容和电阻传感模式独立监测。

图3 水凝胶传感器的机械传感性能

CH-GT水凝胶传感器可以检测到重量为10 mg的微小水滴，此外，该水凝胶传感器被应用于人体生理信号的实时监测，进一步证明了其可靠的操作性。

图4 水凝胶传感器的热传感性能

所制备的水凝胶传感器具有快速的温度敏感特性。将水凝胶传感器固定在面罩上，通过监测呼气和吸气过程中温差所引起的电阻变化来检测呼吸状态。在热成像仪的帮助下，呼气和吸气之间的温差约为0.6oC。呼出气流的温度高于吸入气流的温度，从而产生较低的阻力信号。

图5 通过输出不同类型的电信号同时监测身体的四个不同部位来诊断OSAS

将四个CH-GT水凝胶传感器同时连接到人体相应部位，独立监测鼻息气流、胸部/腹部和脉搏，证实了所制备的水凝胶传感器可用于OSAS诊断的能力。

原文信息

Jing Liu, Haiyan Wang, Tao Liu*, Qinan Wu, Yonghui Ding, Rongxian Ou, Chuigen Guo, Zhenzhen Liu*, Wang, Multimodal Hydrogel-based Respiratory Monitoring System for Diagnosing Obstructive Sleep Apnea Syndrome, Advanced Functional Materials, 2022, DOI:10.1002/adfm.202204686

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202204686

来源：微信公众号“微纳传感与柔性电子”，微纳传感与柔性电子为非营利性学术公众平台，聚焦分享微纳化学量、物理量和生物量传感器与柔性电子器件领域的新研究成果。同时，公众号免费为各课题组提供相关领域新研究成果的宣传业务。编者学识有限，如有错误，恳请批评指正！