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河北工大胡寧、趙麗濱和王子瑩研究團隊《Nano Energy》：多功能無線可穿戴傳感系統用于睡眠呼吸暫停綜合征診斷呼吸信號采集

2023-02-22 來源：高分子科技

隨著生活方式的變化，工作壓力逐漸變大，睡眠障礙逐漸成為一個突出的健康問題。睡眠呼吸暫停綜合征(Sleep Apnea Syndrome, SAS)是一種常見的睡眠障礙，長期發生睡眠呼吸暫停會誘發高血壓、心力衰竭等心血管疾病，嚴重威脅人類健康，準確可靠的呼吸檢測是有效診斷睡眠質量迫切需要的。但是多導睡眠圖(Polysomnography, PSG)作為診斷SAS的金標準存在成本較高、檢查耗時且舒適性較差等問題。因此，基于柔性可穿戴傳感技術開發家用呼吸監測系統有可能徹底改變生活監測，對于促進SAS檢測技術的發展有重要意義。

近日，河北工業大學的胡寧、趙麗濱和王子瑩研究團隊協同華中科技大學同濟醫院朱皓提出了一種基于生物兼容的細菌纖維素/石墨烯氣凝膠的多功能集成的低功耗無線柔性傳感平臺，該平臺不僅可以用于監測生理活動和呼吸信號，還可以用于基于莫爾斯碼的無線加密通信。結合石墨烯優異的導電性和細菌纖維素的高力學性能，三維多孔石墨烯/ 細菌纖維素生物氣凝膠具有出色的壓力傳感性能，寬工作范圍(20 pa至30 kPa)，高靈敏度高和良好的循環穩定性。此外，氧化石墨烯/細菌纖維素復合材料具有優異的濕度傳感性能，實現了呼吸波形和頻率的實時監測。此外，基于esp-01設計出低功耗無線傳感平臺，在睡眠期間佩戴無線柔性壓力和濕度傳感器可以同步為SAS提供診斷數據，并在多終端進行顯示。本文報道的無線傳感器系統在醫學應用領域具有潛在的適用性，結合人工智能算法及柔性電路設計，可為醫療物聯網領域提供更多的選擇。

圖1 基于石墨烯/細菌纖維素復合材料的壓力/濕度多功能柔性無線傳感平臺

作者通過冷凍干燥法制備具有多孔三維網絡結構的石墨烯/細菌纖維素氣凝膠（圖1），石墨烯納米片嵌入細菌纖維素骨架中，提高了生物復合氣凝膠的機械強度。通過真空輔助過濾法制備石墨烯/細菌纖維素具有低電阻的特性，可用作傳感器電極使用。將氧化石墨烯/細菌纖維素復合材料滴涂在叉指電極上形成濕度敏感層，具有良好的濕度傳感性能。

圖2 石墨烯/細菌纖維素和氧化石墨烯/細菌纖維素復合材料表征

石墨烯納米片在細菌纖維素的支撐下形成多孔結構，為壓力傳感提供了良好的形變能力（圖2）。細胞毒性實驗表明，石墨烯/細菌纖維素生物氣凝膠具有生物兼容性。

圖3 RAW264.7細胞在石墨烯/細菌纖維素和石墨烯樣品表面的粘附

RAW264.7細胞在石墨烯和石墨烯/細菌纖維素復合材料上培養1天后均能獲得較好的附著。培養3 天后，細胞核和細胞骨架染色表明，樣品表面適合細胞擴散和增殖。

圖4 L929細胞在石墨烯/細菌纖維素和石墨烯樣品表面的活/死染色

使用活/死染色試劑盒鑒定石墨烯/BC和石墨烯的細胞毒性(圖4)。在初始階段，各組細胞行為無明顯差異。經過1天和3天的培養，在石墨烯/細菌纖維素和石墨烯上僅檢測到少量死亡細胞，說明石墨烯/BC和石墨烯具有較高的生物相容性。

圖5 石墨烯和石墨烯/細菌纖維素皮下植入實驗

進行皮下植入以評估體內生物反應(圖5)。植入1天后，樣品周圍幾乎沒有生物反應。但在植入14天后，與石墨烯/細菌纖維素相比，石墨烯保持了較厚的層狀結構，說明細菌纖維素的加入顯著降低了石墨烯在體內引起的炎癥反應。

圖6 柔性壓力傳感器表征

為了研究壓力傳感特性，通過將石墨烯/細菌纖維素氣凝膠夾在粘附了石墨烯/細菌纖維素電極的PU薄膜之間來制造傳感器。該傳感器在各種外力刺激下顯示出清晰穩定的響應/恢復行為，證實了其監測不同壓力的能力（圖6）。該器件顯示出快速響應特性。進行了多次加載和卸載循環，響應迅速而穩定。基于石墨烯/細菌纖維素的柔性傳感器能夠實時檢測人體健康特征（圖7）。

圖7 柔性壓力傳感器應用于生理信號監測

圖8 柔性濕度傳感器表征

此外，氧化石墨烯/細菌纖維素復合材料制備出的濕度傳感器也表現出較好的濕度響應。75%RH下響應恢復時間為130s和19s。

圖9 呼吸信號采集平臺

圖10 睡眠呼吸監測

作者基于石墨烯/細菌纖維素生物氣凝膠制備了柔性多功能傳感平臺，可以應用于應變/濕度呼吸信號同步采集，為臨床診斷提供了數據。基于WIFI技術設計了無線傳感平臺，實現多終端同步監控。

結論：在此項研究中，研究者發了一種多功能集成的無線柔性傳感平臺，可用于監測生理信號和呼吸，利用基于莫爾斯電碼的無線通信和反饋報警功能跟蹤睡眠狀態。采用超聲破碎和冷凍干燥相結合的簡單制備工藝，成功制備了柔性壓力和濕度傳感器。石墨烯/細菌纖維素和氧化石墨烯/細菌纖維素分別作為壓力敏感材料和濕度敏感材料。由于采用了細菌纖維素纖維和三維多孔骨架結構，柔性壓力傳感器在相對較寬的壓力范圍內(從20 pa到30 kPa)具有較高的靈敏度。壓力傳感器能夠實時監測全身的生理信號。由于電阻低，在實際應用中對功耗要求低，更適合用于可穿戴設備。柔性濕度傳感器在濕度靈敏度方面表現出獨特的特性。在睡眠中長時間佩戴無線呼吸監測器可以提供睡眠呼吸暫停綜合征的診斷數據。
相關工作以“Multifunctional wearable humidity and pressure sensors based on biocompatible graphene/bacterial cellulose bioaerogel for wireless monitoring and early warning of sleep apnea syndrome” 為題發表在《Nano Energy》上。河北工業大學機械工程學院博士研究生孫敬堯為第一作者，2019年本科畢業于蘭州理工大學，目前研究方向為可穿戴柔性傳感器，植入式生物可兼容柔性傳感系統，無線柔性傳感電路設計。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523000514

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（責任編輯：xu）

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