基于MXene纳米片与多孔聚酯织物的透气可穿戴压力传感器实现高灵敏度健康监测与实时血压预测

本刊推荐：为解决柔性可穿戴传感器透气性不足与舒适度受限的问题，研究人员开展基于MXene纳米片与多孔聚酯织物的压力传感器研究，实现了高灵敏度（652.1 kPa?1）、宽检测范围（0–60 kPa）及快速响应/恢复时间（36 ms/20 ms）。该传感器结合机器学习算法，可精确捕捉脉搏波形并实现实时血压预测，为心血管疾病早期诊断和健康管理提供了重要技术支撑。

　　

随着柔性电子技术的快速发展，可穿戴传感器已成为健康监测和运动检测的核心工具。然而，传统传感器在长期佩戴时存在明显的局限性——透气性差、机械柔韧性不足以及舒适度较低，这不仅影响用户体验，还可能引起皮肤不适甚至炎症反应。尤其在动态健康参数（如脉搏、关节运动、肌肉收缩等）的连续监测中，对传感器的灵敏度、检测范围和响应速度提出了更高要求。现有的压力传感器多采用聚合物基底（如PDMS、PET等），虽然具备一定的柔性，但其较低的透气性和较高的弹性模量限制了它们在真实穿戴场景中的应用。此外，实现高灵敏度与宽传感范围的统一仍是当前研究的难点。

为此，青岛大学未来研究院的科研团队在《npj Flexible Electronics》上发表了一项创新研究，他们成功开发出一种兼具高透气性、高灵敏度和优异机械性能的MXene基压力传感器，并融合机器学习算法，实现了对脉搏信号的精确捕捉与无创血压预测。这一突破不仅解决了柔性传感器在穿戴舒适性与功能稳定性之间的平衡问题，还为心血管疾病的早期诊断和个性化健康管理提供了全新的技术路径。

本研究采用了几项关键技术方法：首先，通过化学蚀刻法从Ti₃AlC₂ MAX相中制备出Ti_{32Tx MXene纳米片，具备优良导电性和表面官能团（–OH, –F, =O）；其次，采用静电纺丝技术制备热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维膜作为柔性基底，并通过丝网印刷工艺制作蛇形电极，以提升拉伸条件下的电学稳定性；再者，借助多轮浸渍工艺将MXene纳米片负载于涤纶无尘布表面，形成敏感导电层；最后，集成4×4电极阵列实现多点压力分布感知，并开发基于偏最小二乘回归（PLS）的机器学习模型，从脉搏波特征中预测收缩压（SBP）、舒张压（DBP）和平均动脉压（MAP）。实验样本来源于多年龄段志愿者队列，涵盖健康青年、中年、老年以及动脉硬化人群。}

研究结果部分通过多个维度验证了传感器的性能与实用性：

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  “Production of MXene-Based Pressure Sensor”：成功制备出以涤纶布为敏感层、TPU/银电极作为支撑层的复合传感器结构，扫描电镜（SEM）和能量色散谱（EDS）显示MXene纳米片均匀覆盖纤维表面，元素分布一致。

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  “Pressure Sensing Performance”：该传感器在0–2.5 kPa范围内灵敏度高达652.1 kPa^?1，检测阈可低至1 Pa，响应时间和恢复时间分别为36 ms和20 ms，且在60 kPa宽范围内仍保持稳定响应。经8000次拉伸和扭曲循环以及人工汗液浸泡测试，电学性能未发生显著退化。

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  “Application Demonstration”：传感器在关节运动监测（如手指、膝盖、肘部弯曲）以及握力分布测量中表现出高重复性和准确性。透气性测试显示其透湿率显著高于常规材料（如尼龙和PDMS），具备长期穿戴潜力。生物相容性实验证明该材料对人皮肤角质细胞无毒性。

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  “Extracting Blood Pressure Signals from Pulse”：通过4×4阵列精确定位桡动脉最强脉搏信号，提取脉搏波特征（如P波、T波、D波、脉搏传输时间PTT和反射波传输时间RWTT），结合PLS回归模型预测血压，预测值与商用血压计测量结果高度一致（SBP R2 = 0.983，DBP R2 = 0.847）。Bland-Altman分析显示误差符合AAMI标准，具备临床适用潜力。

论文的讨论部分强调，该研究首次将MXene纳米片与纺织品结合，构建出兼具高透气性、高灵敏度和优异机械稳定性的压力传感器，解决了传统传感器在舒适性、多功能集成与动态监测中的瓶颈问题。该系统不仅能实时捕捉生理信号和运动数据，还能通过机器学习实现无创血压监测，尤其适用于不同人群（包括动脉硬化患者）的心血管健康评估。此外，传感器在机器人操作感知、人机交互及智能手套等领域同样具备广泛的应用前景。

这项研究为下一代可穿戴健康设备的发展提供了重要借鉴，尤其在提升穿戴舒适性、信号精确度和系统智能性方面树立了新的标杆。未来，这种传感器设计策略与算法模型有望推动便携式诊断设备和个性化健康管理系统的进一步革新。