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河北工大胡寧、趙麗濱和王子瑩研究團(tuán)隊(duì)《Nano Energy》：多功能無線可穿戴傳感系統(tǒng)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(gè)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(fā)生睡眠呼吸暫停會誘發(fā)高血壓、心力衰竭等心血管疾病，嚴(yán)重威脅人類健康，準(zhǔn)確可靠的呼吸檢測是有效診斷睡眠質(zhì)量迫切需要的。但是多導(dǎo)睡眠圖(Polysomnography, PSG)作為診斷SAS的金標(biāo)準(zhǔn)存在成本較高、檢查耗時(shí)且舒適性較差等問題。因此，基于柔性可穿戴傳感技術(shù)開發(fā)家用呼吸監(jiān)測系統(tǒng)有可能徹底改變生活監(jiān)測，對于促進(jìn)SAS檢測技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

近日，河北工業(yè)大學(xué)的胡寧、趙麗濱和王子瑩研究團(tuán)隊(duì)協(xié)同華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)院朱皓提出了一種基于生物兼容的細(xì)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(jiān)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(jié)合石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和細(xì)菌纖維素的高力學(xué)性能，三維多孔石墨烯/ 細(xì)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(huán)穩(wěn)定性。此外，氧化石墨烯/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料具有優(yōu)異的濕度傳感性能，實(shí)現(xiàn)了呼吸波形和頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，基于esp-01設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)，并在多終端進(jìn)行顯示。本文報(bào)道的無線傳感器系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有潛在的適用性，結(jié)合人工智能算法及柔性電路設(shè)計(jì)，可為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提供更多的選擇。

圖1 基于石墨烯/細(xì)菌纖維素復(fù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯/細(xì)菌纖維素氣凝膠（圖1），石墨烯納米片嵌入細(xì)菌纖維素骨架中，提高了生物復(fù)合氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。通過真空輔助過濾法制備石墨烯/細(xì)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(xì)菌纖維素復(fù)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(xì)菌纖維素和氧化石墨烯/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料表征

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

圖3 RAW264.7細(xì)胞在石墨烯/細(xì)菌纖維素和石墨烯樣品表面的粘附

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

圖4 L929細(xì)胞在石墨烯/細(xì)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(xì)胞毒性(圖4)。在初始階段，各組細(xì)胞行為無明顯差異。經(jīng)過1天和3天的培養(yǎng)，在石墨烯/細(xì)菌纖維素和石墨烯上僅檢測到少量死亡細(xì)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(xì)菌纖維素皮下植入實(shí)驗(yàn)

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

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(xì)菌纖維素氣凝膠夾在粘附了石墨烯/細(xì)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(wěn)定的響應(yīng)/恢復(fù)行為，證實(shí)了其監(jiān)測不同壓力的能力（圖6）。該器件顯示出快速響應(yīng)特性。進(jìn)行了多次加載和卸載循環(huán)，響應(yīng)迅速而穩(wěn)定。基于石墨烯/細(xì)菌纖維素的柔性傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測人體健康特征（圖7）。

圖7 柔性壓力傳感器應(yīng)用于生理信號監(jiān)測

圖8 柔性濕度傳感器表征

此外，氧化石墨烯/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料制備出的濕度傳感器也表現(xiàn)出較好的濕度響應(yīng)。75%RH下響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間為130s和19s。

圖9 呼吸信號采集平臺

圖10 睡眠呼吸監(jiān)測

作者基于石墨烯/細(xì)菌纖維素生物氣凝膠制備了柔性多功能傳感平臺，可以應(yīng)用于應(yīng)變/濕度呼吸信號同步采集，為臨床診斷提供了數(shù)據(jù)。基于WIFI技術(shù)設(shè)計(jì)了無線傳感平臺，實(shí)現(xiàn)多終端同步監(jiān)控。

結(jié)論：在此項(xiàng)研究中，研究者發(fā)了一種多功能集成的無線柔性傳感平臺，可用于監(jiān)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(bào)警功能跟蹤睡眠狀態(tài)。采用超聲破碎和冷凍干燥相結(jié)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(xì)菌纖維素和氧化石墨烯/細(xì)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(xì)菌纖維素纖維和三維多孔骨架結(jié)構(gòu)，柔性壓力傳感器在相對較寬的壓力范圍內(nèi)(從20 pa到30 kPa)具有較高的靈敏度。壓力傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測全身的生理信號。由于電阻低，在實(shí)際應(yīng)用中對功耗要求低，更適合用于可穿戴設(shè)備。柔性濕度傳感器在濕度靈敏度方面表現(xiàn)出獨(dú)特的特性。在睡眠中長時(shí)間佩戴無線呼吸監(jiān)測器可以提供睡眠呼吸暫停綜合征的診斷數(shù)據(jù)。
相關(guān)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(fā)表在《Nano Energy》上。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生孫敬堯為第一作者，2019年本科畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，目前研究方向?yàn)榭纱┐魅嵝詡鞲衅鳎踩胧缴锟杉嫒萑嵝詡鞲邢到y(tǒng)，無線柔性傳感電路設(shè)計(jì)。

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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