用于鼻孔气流压力和温度监测的多模态传感器
2025-04-13 22:28:55 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
广州医科大学刘珍珍教授科研团队探索了一种多模态集成共晶凝胶（eutectogel）传感器，通过分别独立输出电容和电阻，同时感测鼻孔气流的压力和温度刺激，而没有交叉耦合。
准确检测鼻孔气流对于实时呼吸监测至关重要。然而，已开发的方法仅依赖于鼻孔气流的单一刺激传感，在复杂的环境中极易受到干扰，严重影响了检测结果的准确性。
据麦姆斯咨询报道，近日，广州医科大学刘珍珍教授科研团队探索了一种多模态集成共晶凝胶（eutectogel）传感器，通过分别独立输出电容和电阻，同时感测鼻孔气流的压力和温度刺激，而没有交叉耦合。羟基磷灰石和单宁酸在网络中的完全物理交联和协同作用赋予了这种共晶凝胶极低的模量、优异的自愈效率、强大的粘附性、良好的环境稳定性和生物相容性。通过将这种共晶凝胶与电路设计相结合，开发了一种多模态传感器，与其它报道的基于凝胶的传感器相比，该传感器表现出优异的压力灵敏度。
作为概念验证，该多模态传感器进一步探索通过同时检测睡眠过程中的五种刺激来诊断阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）这种传统的呼吸疾病，大大提高了检测结果的准确性和可靠性。这项工作为实现超灵敏的呼吸监测和预测呼吸系统疾病提供了一种高效的策略。相关研究成果以“A crosslinked eutectogel for ultrasensitive pressure and temperature monitoring from nostril airflow”为题发表在Nature Communications期刊上。
聚（N-丙烯酰基-2-甘氨酸）复合共晶凝胶（ATH）的网络结构和性能，以及基于ATH的传感器对鼻孔气流的高灵敏度多模态传感
在这项工作中，研究人员将N-丙烯酰基-2-甘氨酸（ACG）单体、单宁酸（TA）和羟基磷灰石（HAp）在氯化胆碱/乙二醇（物质的量比为1:2）溶剂中混合，在365 nm照射下，通过光引发的自由基聚合合成ATH共晶凝胶，标记为ATHx（x代表HAp与ACG的重量比）。优化后的ATH6凝胶表现出相当低的模量和优异的自愈效率。由于凝胶和衬底之间的多重强相互作用，实现了对生物组织和其它衬底的强粘附性。
ATH₆共晶凝胶的粘附性能
ATH₆共晶凝胶的自愈性能
研究人员设计了一种三明治结构，通过在两个ATH₆共晶凝胶之间夹一层介电膜并嵌入三个金属电极，构建了双模态共晶凝胶传感器。当两个电极连接到同一块共晶凝胶上时，由于凝胶内的离子解离和运输对温度敏感，因此制成了一个温度敏感的电阻式传感器。通过将两个电极分别连接到顶部和底部的分离凝胶上，形成了平行板电容式传感器。施加的压力会导致两个电极之间的距离变化，从而产生电容变化。与之前报道的多模态传感器相比，这项工作不仅通过这种集成的电容式和电阻式传感器在一定范围内解耦压力和温度，而且具有只使用一种共晶凝胶的优势。
双模态共晶凝胶传感器的传感机理和在压力、温度刺激下的响应曲线
与其它报道的基于凝胶的压力传感器相比，该双模态共晶凝胶传感器的压力灵敏度高得多，由于这种共晶凝胶的低模量和高离子电导率，确保了对鼻呼吸的弱气流压力的良好传感能力。结合其良好的耐用性和生物兼容性，这种集成共晶凝胶传感器在连续呼吸监测方面显示出巨大的优势，并通过同时显示五个监测通道，显著提高了诊断呼吸相关疾病的检测结果的准确性和可靠性，有效避免了仅检测单一刺激时的环境干扰和运动伪影。
双模态共晶凝胶传感器同时独立监测压力和温度
通过ATH₆传感器监测阻塞性睡眠呼吸暂停综合征
总而言之，研究人员通过在深共晶溶剂中完全物理交联N-丙烯酰基-2-甘氨酸单体、单宁酸和羟基磷灰石，合成了ATH共晶凝胶。与其它报道的凝胶或弹性体相比，优化的ATH₆凝胶具有低模量和优异的自愈效率，对猪皮或其它衬底具有较强的粘附力，同时具有良好的环境稳定性和生物相容性。所制造的双模态传感器显示出优于先前报道的压力灵敏度，可以精确地检测鼻孔气流的微弱压力刺激。
因此，这种基于ATH₆凝胶的传感器可以同时检测鼻孔气流的压力和热刺激，同时分别输出电容和电阻的独立电信号，而不会交叉耦合。这一优势显著提高了鼻孔气流检测结果的准确性和可靠性，有效地排除了在仅监测单一刺激或针对不同刺激仅输出相同电信号时外部环境的干扰。与需要同时固定两种传感器来监测鼻孔气流压力和温度的多导睡眠图监测仪（PSG）相比，这种双模态传感器集成在一个传感器中，大大提高了舒适性、可穿戴性和便携性。
在概念验证中，该多模态传感器被应用于阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）的实时监测和严重程度评估，通过同时监测睡眠行为中的五种刺激，显示出优越的传感能力，大大提高了检测结果的准确性和可靠性。这项工作为实时监测睡眠呼吸提供了一种潜在的有效方法，是预测呼吸或睡眠相关疾病的有力工具。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58631-7
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