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南郵趙強教授、李楊教授團(tuán)隊 Matter: 可拉伸OECT助力高保真電生理監(jiān)測與深度學(xué)習(xí)輔助睡眠分析
2025-03-25  來源：高分子科技

  優(yōu)質(zhì)睡眠對健康至關(guān)重要，然而，阻塞性睡眠呼吸暫停（OSA）患病率持續(xù)上升，已成為全球性的健康問題。盡管多導(dǎo)睡眠圖（PSG）是OSA診斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但其復(fù)雜的設(shè)置、高昂的成本以及對有線傳感器的依賴，往往導(dǎo)致患者不適并增加操作難度，影響診斷的準(zhǔn)確性。有機電化學(xué)晶體管（OECT）憑借其高跨導(dǎo)率和低噪聲特性，在生物電子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，為睡眠監(jiān)測提供了創(chuàng)新解決方案。然而，傳統(tǒng)基于（3,4-亞乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的OECT在性能平衡、應(yīng)變敏感性及智能算法集成等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了其在長期監(jiān)測中的應(yīng)用。


  針對上述問題，南京郵電大學(xué)柔性電子全國重點實驗室趙強教授、李楊教授團(tuán)隊開發(fā)出一種高性能可拉伸OECT，并成功將其與深度學(xué)習(xí)算法集成，構(gòu)建了一套用于OSA檢測的高精度、無線化、智能化的電生理監(jiān)測系統(tǒng)，為便攜式電生理監(jiān)測和智能睡眠評估開辟了新途徑（圖1）。相關(guān)研究成果以"Stretchable organic electrochemical transistors for sustained high-fidelity electrophysiology and deep-learning assisted sleep monitoring"為題發(fā)表在《Matter》期刊上。該論文的共同第一作者為南京郵電大學(xué)碩士研究生龐蕓聰和李楊教授，通訊作者為李楊教授和趙強教授。


圖1. 用于長期電生理監(jiān)測和OSA檢測的高性能、可拉伸和高穩(wěn)定性OECT


  在材料優(yōu)化方面，研究團(tuán)隊首先篩選了一系列生物相容離子液體（ILs），并最終采用N-甲基，丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽（P14[TFSI]）對PEDOT:PSS進(jìn)行改性。該方法顯著提高了PEDOT:PSS的電子電導(dǎo)率（~740 S cm-1）、離子電導(dǎo)率（6×10-6 S cm-1）和拉伸性（~60%），確保OECT能夠在應(yīng)變條件下精確捕捉電生理信號。相比傳統(tǒng)添加劑，P14[TFSI]的引入有效提升了PEDOT:PSS的離子-電子傳輸效率，并增強了機械穩(wěn)定性，使其更加適用于長期可穿戴生物電子設(shè)備（圖2）。


圖2. 基于IL改性PEDOT:PSS溝道的可拉伸OECT


  為進(jìn)一步提升器件的穩(wěn)定性和可穿戴性，研究團(tuán)隊從拉伸性、離子導(dǎo)電性、粘附性和長期穩(wěn)定性方面系統(tǒng)比較了三種凝膠電解質(zhì)（水凝膠、有機凝膠和離子凝膠）的性能。實驗表明，水凝膠雖然初始導(dǎo)電性較高，但其易揮發(fā)性會導(dǎo)致性能明顯下降，不適用于長期監(jiān)測；有機凝膠在拉伸性方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，但其電導(dǎo)率較差，主要由于溶劑置換過程中的鹽分流失。相比之下，基于深共晶溶劑（DES）的離子凝膠在電導(dǎo)率（2.3×10-3 S cm-1）、拉伸性（150%）和界面粘附性等方面表現(xiàn)出綜合優(yōu)勢，特別是在長期穩(wěn)定性測試中，離子凝膠在6個月后仍保持穩(wěn)定的離子電導(dǎo)率，使其成為OECT電解質(zhì)的最優(yōu)選擇。通過優(yōu)化溝道和電解質(zhì)材料，該OECT實現(xiàn)了高跨導(dǎo)率（~2.1 mS）、卓越的機械耐受性（30%應(yīng)變）和長期穩(wěn)定性（>6個月），使其成為理想的可穿戴皮膚電子設(shè)備（圖3）。


圖3. 基于凝膠電解質(zhì)的高性能長期可穿戴OECT


  在系統(tǒng)集成方面，研究團(tuán)隊充分利用OECT的局部放大特性，將其作為前置放大器，顯著提升了信號質(zhì)量，實現(xiàn)了高達(dá)35.7 dB的信噪比（圖4）。這一性能優(yōu)勢使系統(tǒng)能夠清晰捕捉微弱的生理信號變化，為高保真電生理監(jiān)測提供了強有力的技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步集成了低功耗藍(lán)牙模塊和微控制器，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，使系統(tǒng)能夠在動態(tài)環(huán)境下進(jìn)行實時監(jiān)測。測試結(jié)果表明，即使在運動狀態(tài)下，該系統(tǒng)仍能捕捉清晰心電（ECG）信號，為長期睡眠監(jiān)測提供了可靠保障。為實現(xiàn)OSA的智能檢測，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地將深度學(xué)習(xí)算法與OECT系統(tǒng)相結(jié)合。通過單導(dǎo)聯(lián)ECG信號中的R波間隔（RRI）、R波幅值（RAMP）及ECG衍生呼吸信號（EDR）等關(guān)鍵特征，構(gòu)建了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的自動檢測模型，為OSA的早期篩查提供了有效工具。


圖4. 基于可拉伸OECT的電生理監(jiān)測和OSA檢測


  該研究不僅提出了一種高性能可拉伸OECT，為電生理信號監(jiān)測提供了高效解決方案，同時推動了柔性生物電子學(xué)在健康監(jiān)測領(lǐng)域的深入應(yīng)用。其無線化、智能化、穩(wěn)定性高的特點，使其在可穿戴運動裝備、醫(yī)療保健設(shè)備和先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等多個領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。這項研究成果為睡眠障礙的早期診斷和個性化治療提供了新的技術(shù)手段，有望在未來健康管理中發(fā)揮重要作用。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102086

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