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華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉珍珍/劉濤 AFM：診斷阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征的多模式水凝膠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2022-07-23  來(lái)源：高分子科技

  呼吸作為人類必須的行為，不僅維持生命正常進(jìn)行，而且可以作為評(píng)估人體健康的重要特征。嚴(yán)重的呼吸問(wèn)題會(huì)誘發(fā)一系列疾病，例如阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征 (OSAS)、阿爾茨海默病、和心血管疾病。因此，有效監(jiān)測(cè)呼吸行為對(duì)于人體健康監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)人類疾病至關(guān)重要。目前臨床呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備僅在醫(yī)院的重癥監(jiān)護(hù)室可用。因此，研制具有高精度、佩戴舒適性、便攜性和環(huán)境耐受性的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要的。



  最近，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉珍珍教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種具有優(yōu)異綜合性能的多模式纖維素水凝膠傳感器，用于監(jiān)測(cè)呼吸和診斷阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征，由于水凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)化學(xué)交聯(lián)和多氫鍵之間的協(xié)同作用，這種合成的雙交聯(lián)纖維素水凝膠(CH-GT)在室溫和極端溫度條件下都表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。所設(shè)計(jì)的水凝膠傳感器具有兩種傳感模式，可以分別通過(guò)電容和電阻的輸出信號(hào)獨(dú)立監(jiān)測(cè)機(jī)械變化和熱變化。這個(gè)單一的CH-GT水凝膠傳感器可以檢測(cè)鼻息氣流的溫度變化以及胸部/腹部和脈搏的機(jī)械力變化。同時(shí)，制備的水凝膠傳感器具有20 ms的快速響應(yīng)時(shí)間、10 mg微小水滴的高靈敏度以及廣的溫度耐受性(-40至60℃)。該水凝膠傳感器通過(guò)模擬睡眠期間的呼吸暫停狀態(tài)成功應(yīng)用于診斷阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征。這項(xiàng)工作為可穿戴電子傳感器在呼吸監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)睡眠障礙等疾病方面提供了新方法。相關(guān)成果以“Multimodal Hydrogel-Based Respiratory Monitoring System for Diagnosing Obstructive Sleep Apnea Syndrome”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。


圖1 用于監(jiān)測(cè)呼吸的多模式傳感能力的纖維素水凝膠傳感器的示意圖


  將化學(xué)交聯(lián)纖維素水凝膠(CH)水凝膠浸泡在不同單寧酸(TA)的甘油-水-NaCl溶液中，生成CH-GT水凝膠。加入TA與纖維素的羥基形成多重氫鍵，提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。


圖2 多模式 CH-GT 水凝膠傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感機(jī)制


  設(shè)計(jì)了一種夾層結(jié)構(gòu)，將商業(yè)彈性體作為介電膜夾在兩個(gè)CH-GT水凝膠層之間。當(dāng)電極2和3連接時(shí)，形成一個(gè)平行板電容傳感器構(gòu)建了機(jī)械應(yīng)變電容傳感器；當(dāng)電極1和2連接時(shí)，形成了溫度敏感的離子電阻傳感器。因此，機(jī)械和熱刺激信號(hào)可以分別由單一水凝膠傳感器中的電容和電阻傳感模式獨(dú)立監(jiān)測(cè)。


圖3 水凝膠傳感器的機(jī)械傳感性能


  CH-GT水凝膠傳感器可以檢測(cè)到重量為 10 mg的微小水滴，此外，該水凝膠傳感器被應(yīng)用于人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步證明了其可靠的操作性。


圖4 水凝膠傳感器的熱傳感性能


  所制備的水凝膠傳感器具有快速的溫度敏感特性。將水凝膠傳感器固定在面罩上，通過(guò)監(jiān)測(cè)呼氣和吸氣過(guò)程中溫差所引起的電阻變化來(lái)檢測(cè)呼吸狀態(tài)。在熱成像儀的幫助下，呼氣和吸氣之間的溫差約為0.6℃。呼出氣流的溫度高于吸入氣流的溫度，從而產(chǎn)生較低的阻力信號(hào)。


圖5 通過(guò)輸出不同類型的電信號(hào)同時(shí)監(jiān)測(cè)身體的四個(gè)不同部位來(lái)診斷OSAS


  將四個(gè)CH-GT水凝膠傳感器同時(shí)連接到人體相應(yīng)部位，獨(dú)立監(jiān)測(cè)鼻息氣流、胸部/腹部和脈搏，證實(shí)了所制備的水凝膠傳感器可用于OSAS診斷的能力。


  劉珍珍教授是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料&家居工程-王清文教授團(tuán)隊(duì)的核心骨干成員，該工作受到了王清文教授的悉心指導(dǎo)和大力支持，同時(shí)該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市教育局“林業(yè)工程”重點(diǎn)學(xué)科等項(xiàng)目的資助。


  原文信息Jing Liu, Haiyan Wang, Tao Liu*, Qinan Wu, Yonghui Ding, Rongxian Ou, Chuigen Guo, Zhenzhen Liu*, Qingwen Wang, Multimodal Hydrogel-Based Respiratory Monitoring System for Diagnosing Obstructive Sleep Apnea Syndrome, DOI：10.1002/adfm.202204686

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202204686

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