编辑推荐：
为解决现有鼻孔气流监测方法易受干扰、准确性差的问题，研究人员开展了关于多模态集成共晶凝胶传感器的研究。结果显示该传感器能同时独立检测鼻孔气流的压力和温度刺激，在诊断阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）等疾病方面优势显著，为呼吸监测和疾病预测提供了有效策略。
在人体健康监测的领域中，呼吸监测有着不可忽视的地位。呼吸，作为维持生命的基本活动，它的状态能反映出人体的健康状况、身心活动等。通过实时呼吸监测，人们可以提前预测、排查和诊断诸如阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS）、心血管疾病（Cardiovascular Disorders，CVD）、哮喘、癫痫等多种疾病，这对于个人健康管理乃至挽救生命都至关重要。
然而，目前市面上的多导睡眠图（Polysomnography，PSG）设备存在诸多缺陷。它操作繁琐，成本高昂，而且佩戴舒适性差，只能在医院供患者使用，极大地限制了呼吸监测在不同人群中的广泛应用。同时，现有的呼吸监测研究大多聚焦于单一刺激的监测，比如只监测鼻孔气流或胸腹部运动产生的单一信号，这样的监测方式在复杂的外部环境中极易受到干扰，导致监测结果的可靠性和准确性大打折扣。尤其是在监测微弱的鼻孔气流时，现有的传感器无法满足高压力敏感性的要求，而且在模量、组织粘附性、环境稳定性和自我修复等方面也存在不足。所以，开发一种高性能的呼吸监测传感器迫在眉睫，这种传感器需要能同时独立感知鼻孔气流的多种信号，具备高敏感性、良好的舒适性和实用性。
为了解决这些问题，广州医科大学附属第三医院、华南农业大学等机构的研究人员开展了深入研究。他们成功开发出一种多模态超灵敏共晶凝胶基呼吸传感器，这一成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，合成了深共晶溶剂（DESs），并以此为基础制备了 ATH 共晶凝胶；通过多种测试方法对凝胶的性能进行表征，如利用万能试验机进行拉伸和压缩测试，使用旋转流变仪进行流变学测量等；构建多模态共晶凝胶传感器，并借助数字万用表检测其电容和电阻信号，利用动态机械分析仪（DMA）探究压力 / 热刺激与电信号之间的关系。
下面来看具体的研究结果：
- ATH 共晶凝胶的制备及机械性能：ATH 共晶凝胶通过在 ChCl / 乙二醇（1:2，M/M）溶剂中，以羟基磷灰石（HAp）为交联剂，与单宁酸（TA）进行物理交联，经 365-nm 光照引发自由基聚合反应制得。研究发现，HAp 在交联过程中起关键作用，随着 HAp 含量增加，凝胶的拉伸应力、断裂韧性、压缩曲线和杨氏模量等性能均发生变化。其中，ATH6凝胶表现出极低的杨氏模量，与软生物组织相似，这有利于凝胶与皮肤的贴合，且具有良好的弹性和抗疲劳性。
- ATH 共晶凝胶的粘附性能和生物相容性：通过标准搭接剪切试验评估 ATH 共晶凝胶的粘附性能，结果表明，ATH6对猪皮的剪切强度最高。该凝胶对多种底物都有很强的粘附力，且受外部机械刺激和环境因素影响较小，相比水凝胶具有明显优势。生物相容性测试显示，ATH 共晶凝胶具有高细胞活力，对皮肤无刺激，确保了在鼻孔气流监测中的生物安全性。
- ATH 共晶凝胶的自我修复性能：拉伸试验表明，ATH6共晶凝胶在室温下 3 小时的自我修复效率可达 96.5%，优于其他报道的自修复凝胶。即使在 - 20°C 下，仍能保持较高的修复效率。其良好的自我修复能力归因于氢键和配位键的完全物理交联作用，这种动态可逆的交联赋予了凝胶卓越的自我修复性能。
- ATH6共晶凝胶传感器的多传感能力：设计了一种夹层结构的双模态共晶凝胶传感器，该传感器能通过电阻和电容信号分别独立感知温度和压力刺激。实验结果显示，在特定的压力和温度范围内，电阻变化主要受温度影响，电容变化主要受压力影响。该传感器具有高压力敏感性、快速响应和恢复时间，且耐久性良好，能够精确监测呼吸行为中的微弱压力和热变化，还可区分不同的呼吸模式和呼吸部位。
- 通过压力和温度双模式监测鼻孔气流：利用双模态传感器对鼻孔气流进行实时监测，结果表明，传感器能同时独立检测鼻孔气流的压力和温度变化，且信号无交叉耦合。通过模拟不同的呼吸行为和对不同重量、温度的水滴进行测试，进一步验证了传感器的高灵敏度和独立检测能力。此外，在不同环境温度下进行测试，发现电容信号不受环境温度影响，有效消除了外界干扰。
- 监测阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）：将双模态传感器用于监测 OSAS，通过在人体不同部位粘贴传感器，同时检测多种刺激信号。实验模拟了正常呼吸、暂停呼吸和恢复呼吸的过程，结果显示，在暂停呼吸时，传感器能准确检测到相关信号的变化，如鼻孔气流压力、胸部和腹部压力的电容变化曲线变平，电阻变化增大，脉搏率下降等，这为 OSAS 的诊断提供了重要依据，显著提高了诊断的准确性和可靠性。
研究结论和讨论部分指出，本研究合成的 ATH 共晶凝胶具有低模量、高自我修复效率、强粘附力、良好环境稳定性和生物相容性等优点。基于该凝胶构建的双模态传感器能够精确检测鼻孔气流的微弱压力和热刺激，并分别输出电容和电阻信号，避免了单一刺激监测时的外界干扰，极大地提高了检测结果的准确性和可靠性。与传统的 PSG 设备相比，这种集成式双模态传感器在舒适性、可穿戴性和便携性方面具有明显优势。将其应用于 OSAS 的监测，展现出了卓越的传感能力，为实时监测睡眠呼吸和预测呼吸或睡眠相关疾病提供了一种潜在有效的方法，有望在未来的医疗健康领域发挥重要作用。
