综述：基于水凝胶的力学传感器用于睡眠呼吸监测：最新进展与未来展望

《Sensors》：Hydrogel-Based Mechanical Sensors for Sleep Respiratory Monitoring: Recent Advances and Future Perspectives

　　

睡眠呼吸监测在睡眠相关呼吸障碍的早期诊断和健康管理中发挥着至关重要的作用。然而，传统监测设备通常存在佩戴舒适性差和长期连续监测能力不足等关键问题，阻碍了其在无创和长时间睡眠监测中的应用。近年来，基于水凝胶的力学传感器因其优异的柔韧性、生物相容性、与生物组织的力学匹配性以及卓越的传感性能而受到越来越多的关注，展现出巨大的实际应用潜力。本综述全面概述了基于水凝胶的力学传感器在睡眠相关呼吸监测中的最新进展。系统地总结了传感机制、材料、制造策略和代表性应用，特别强调了决定传感器性能及其向实际应用转化的关键因素。此外，还讨论了当前面临的挑战和相应的优化策略。本综述旨在为高性能基于水凝胶的力学传感器的合理设计和优化提供有价值的见解，并为睡眠相关呼吸监测先进技术的进一步发展提供重要策略。

1. 引言
睡眠是维持机体正常功能和整体健康的重要生理过程，睡眠相关呼吸障碍已成为重大全球公共卫生问题。阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）是最常见的类型，表现为睡眠期间上气道反复阻塞，可导致间歇性缺氧、睡眠碎片化和自主神经功能障碍，增加高血压、心血管疾病、糖尿病等慢性病风险。多导睡眠监测虽为临床金标准，但依赖复杂电极配置和临床环境，成本高、操作繁琐、舒适性差，难以用于长期家庭监测。可穿戴柔性力学传感器可直接捕捉呼吸引起的胸腹运动、气流变化和组织形变，而水凝胶凭借高柔韧性、生物相容性和与软组织相似的力学性能，成为理想平台。本综述旨在系统总结其传感机制、材料组成、制造策略、应用挑战及优化方向。

2. 基于水凝胶的力学传感器
2.1 水凝胶网络结构与力传感基础
水凝胶由高含水量三维聚合物网络构成，力学行为由网络拓扑、交联密度及链间相互作用决定。物理交联依赖氢键、静电和疏水作用，赋予动态重构和能量耗散能力；化学交联提供高稳定性和尺寸保持，但损伤不可逆；动态交联结合稳定性和可重构性。双网络结构通过脆性网络耗能、柔性网络保持完整，实现强度与韧性协同提升；互穿网络使各网络分别提供支撑、柔韧或导电等功能。较低交联密度利于链运动和大形变，但可能引起信号漂移；较高交联密度增强尺寸稳定性但限制形变。多网络结构通过牺牲键断裂、可逆键重组和网络间应力再分配，可平衡强度、形变和抗疲劳性，适用于睡眠中低频、低幅、周期性的胸腹运动及气流信号监测。

2.2 传感机制
根据信号转换原理，水凝胶力学传感器分为压阻式、电容式、压电式、摩擦电式和混合式（多模态）五类。

2.2.1 压阻式传感器
压阻效应指机械形变改变内部导电网络的分布与接触状态，从而引起电阻变化。离子导电水凝胶依靠离子迁移路径改变，电子导电水凝胶依靠导电填料接触重构。灵敏度用灵敏度因子（GF）量化。该类传感器结构简单、信号易采集，但存在漂移和迟滞。例如，基于聚乙烯醇（PVA）/丝素蛋白双网络、单宁酸包覆液态金属和原位生成铜纳米颗粒的复合水凝胶，通过压阻效应在1000次拉伸循环后ΔR/R₀波动低于5%，实现连续呼吸监测和呼吸暂停事件早期检测。

2.2.2 电容式传感器
电容式传感器通过电极间距、有效重叠面积或介电性质变化改变电容。优点包括低功耗、响应快和信号稳定，但性能依赖介电层和微结构设计。例如，利用三维（3D）打印的纳米结构离子凝胶作为介电层，可监测深呼吸、吞咽和脉搏；双交联水凝胶导体与半互穿网络有机凝胶介电层组成的电容传感器，在极端机械条件下仍保持稳定输出。

2.2.3 压电式传感器
压电效应基于机械形变引起内部极化，产生电势差，无需外部电源，适合动态形变检测，但静态压力响应受限。采用凝胶态晶相调控策略制备的聚乳酸水凝胶，经预拉伸、热退火和溶剂交换形成取向β晶相，在关节屈曲时产生稳定压电信号。压电离子效应是离子水凝胶中阴阳离子迁移速率差异导致电荷分离的新机制，可用于构建自供电触觉传感器阵列。

2.2.4 摩擦电传感器
摩擦电传感器基于接触起电和静电感应，输出电压较高，但静态检测时存在信号衰减。凹痕变形机制可扩大有效接触面积，显著提升灵敏度；结合双向门控循环单元网络与双模态信息融合算法，对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的诊断准确率达98.9%，平均识别时间22.3 ms。摩擦电纳米发电机（TENG）可直接收集人体运动低频机械能，实现自供电生理监测，如生物可降解单电极TENG和液态金属复合双网络水凝胶TENG均用于呼吸实时监测和语音识别。

2.2.5 多模态传感器
单机制传感器易受环境干扰和运动伪影影响。多模态策略集成两种以上机制，可同时获取多个生理信号，提高准确性和抗干扰性。例如，电容-电阻双模态传感器分别检测形变和温度；MXene/LiCl/聚丙烯酰胺（PAAm）/PVA有机水凝胶同时输出电压和电阻信号，协同监测呼吸气流和胸腹运动，提供更全面的呼吸信息。

2.3 材料组成
电荷传输分为离子传导、电子传导和离子-电子混合传导。离子导电水凝胶依赖可移动离子迁移，电子导电水凝胶通过金属、碳材料或MXene等填料形成电子通路，混合体系兼具柔性和多模态能力。

2.3.1 离子改性水凝胶
通过向PVA、PAAm、明胶、羧甲基纤维素（CMC）、海藻酸钠等基质中引入无机盐（LiCl、NaCl、CaCl₂、ZnSO₄）或离子液体，构建高效离子传输网络。LiCl提供高浓度载流子并增强保湿性和防冻性；CaCl₂与海藻酸钠形成“蛋盒”结构，增强力学强度。例如，PVA/海藻酸钠/淀粉水凝胶经CaCl₂交联和NaCl浸泡，兼顾导电、保水、防冻和环境稳定性。两性水凝胶还可构建仿生伪离子通道，与锌离子微电池集成实现自供电生理信号采集。

2.3.2 金属基水凝胶
金属填料包括过渡金属、贵金属、液态金属和金属氧化物等，可提高导电性并赋予抗菌、磁响应等功能。PVA/丝素双网络复合水凝胶通过单宁酸包覆液态金属和原位铜纳米粒子，拉伸强度达1.452 MPa，电导率0.25 S m^?1，具备抗菌性，可稳定监测呼吸并早期发现呼吸暂停。木质素磺酸盐-Fe³⁺动态氧化还原体系可在室温下快速聚合，构建动态交联网络，实现宽传感范围（500%）、139 ms响应和高GF值（8.98）。

2.3.3 碳基水凝胶
碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯（rGO）、碳纤维和炭黑等碳材料可形成连续电子通路。碱处理聚丙烯腈/离子液体/静电植绒碳纤维（aPAN/IL/CF）纳米纤维水凝胶对气流响应时间仅0.10 s，最小可测流速0.033 m s^?1，可监测口鼻气流、胸腹运动和脉搏。石墨烯-水凝胶生物电子界面与皮肤和软组织力学匹配，能长期贴附并准确分辨不同呼吸状态。

2.3.4 MXene基水凝胶
MXene是二维过渡金属氮化物/碳化物/碳氮化物，表面官能团（–OH、–O、–F）与聚合物链形成氢键，增强力学性能、保水性和环境稳定性。多功能MXene纳米复合水凝胶拉伸性超过5000%，具有自修复能力，可实时监测呼吸频率和深度。MXene与LiCl协同构建离子-电子混合导电网络，在PVA/PAAm双网络中实现宽湿度范围（40–85%）快速响应，灵敏度为?103.4% RH^?1。

2.4 制造策略
2.4.1 水凝胶基体制备
原位聚合法分为热引发、光引发和氧化还原引发，操作简单、组分均匀，但网络微结构难以调控。化学交联包括永久共价键和动态化学键（硼酸酯键、希夫碱键、金属配位键）。永久交联提供强韧性和尺寸稳定性，但不可重构；动态交联赋予自修复和抗疲劳性。冻融循环法利用聚合物结晶形成物理交联点，环保且生物相容，但力学强度有限，常与化学或离子交联合用以增强性能。

2.4.2 水凝胶复合结构制造
离子浸入法将预成型水凝胶浸泡在盐溶液中，使离子扩散进入网络，形成连续离子通路，同时可增强网络。例如，PVA/NaCl水凝胶拉伸强度达8.03 MPa，离子电导率7.14 S m^?1；一步浸入FeCl₃溶液可制备壳-芯梯度结构（CS/PACG双网络）。原位复合法在成胶过程中引入纳米填料，实现均匀分散和强界面结合，如PVA/PAA/Zr⁴⁺电子皮肤。静电植绒利用电场定向排列导电纤维，构建有序传导网络；碳纤维植绒水凝胶气流传感器具有0.103 s超快响应和0.068 m s^?1低检测限。

3. 应用挑战与优化策略
3.1 高精度
睡眠呼吸信号具有低幅、低频特点，易受体位变化和运动伪影干扰。提高精度需从灵敏度、分辨率、抗运动伪影和事件判定一致性入手。双网络、动态交联和纳米增强材料可提高信号传递效率；多模态传感器通过多部位信号交叉验证降低误判。采用岛-桥结构的多功能水凝胶贴片，可解耦应变区与电极区，同时监测呼吸、心电和体温，提高多参数监测可靠性。人工智能算法可对大量信号进行特征提取和模式识别，自动分类呼吸暂停和低通气。

3.2 快速响应
实时连续呼吸监测要求传感器具有快速响应与恢复能力。高回弹双网络结构可实现约20 ms响应，检测包括10 mg微滴冲击和心跳形变等微弱信号。多模态信号结合双向门控循环单元网络，识别时间仅22.3 ms，准确率98.9%。未来将集成高响应水凝胶、微结构工程和人工智能算法，实现快速采集与智能预警。

3.3 长期稳定性
长期监测中水凝胶易发生脱水、溶胀和疲劳损伤，导致信号漂移和可靠性下降。抗脱水策略包括表面封装、溶剂工程（甘油、乙二醇、离子液体）和离子引入，以减少自由水比例并增强水-聚合物相互作用。抗溶胀策略包括疏水缔合、双网络和两亲性聚合物设计，以限制水分渗透。抗疲劳需要动态交联网络和能量耗散结构，以缓解应力松弛和蠕变。界面粘附可通过贻贝化学、物理互锁和离子键增强，但需平衡粘附力与佩戴舒适性，并评估出汗和湿度条件下的稳定性。

3.4 高佩戴舒适性
传统水凝胶模量高、透气性差，长时间佩戴易导致闷热和汗液积聚。调控网络密度、引入柔性链段和构建多孔结构可降低有效模量，使力学性能更匹配软组织。互穿大孔