河北工业大学胡宁、赵丽滨和王子莹研究团队Nano Energy: 多功能无线可穿戴传感系统用于睡眠呼吸暂停综合征诊断呼吸信号采集

随着生活方式的变化，工作压力逐渐变大，睡眠障碍逐渐成为一个突出的健康问题。睡眠呼吸暂停综合征(Sleep Apnea Syndrome, SAS)是一种常见的睡眠障碍，长期发生睡眠呼吸暂停会诱发高血压、心力衰竭等心血管疾病，严重威胁人类健康，准确可靠的呼吸检测是有效诊断睡眠质量迫切需要的。但是多导睡眠图(Polysomnography, PSG)作为诊断SAS的金标准存在成本较高、检查耗时且舒适性较差等问题。因此，基于柔性可穿戴传感技术开发家用呼吸监测系统有可能彻底改变生活监测，对于促进SAS检测技术的发展有重要意义。

近日，河北工业大学的胡宁、赵丽滨和王子莹研究团队协同华中科技大学同济医院朱皓提出了一种基于生物兼容的细菌纤维素/石墨烯气凝胶的多功能集成的低功耗无线柔性传感平台，该平台不仅可以用于监测生理活动和呼吸信号，还可以用于基于莫尔斯码的无线加密通信。结合石墨烯优异的导电性和细菌纤维素的高力学性能，三维多孔石墨烯/ 细菌纤维素生物气凝胶具有出色的压力传感性能，宽工作范围(20 pa至30 kPa)，高灵敏度高和良好的循环稳定性。此外，氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料具有优异的湿度传感性能，实现了呼吸波形和频率的实时监测。此外，基于esp-01设计出低功耗无线传感平台，在睡眠期间佩戴无线柔性压力和湿度传感器可以同步为SAS提供诊断数据，并在多终端进行显示。本文报道的无线传感器系统在医学应用领域具有潜在的适用性，结合人工智能算法及柔性电路设计，可为医疗物联网领域提供更多的选择。

图1 基于石墨烯/细菌纤维素复合材料的压力/湿度多功能柔性无线传感平台

作者通过冷冻干燥法制备具有多孔三维网络结构的石墨烯/细菌纤维素气凝胶（图1），石墨烯纳米片嵌入细菌纤维素骨架中，提高了生物复合气凝胶的机械强度。通过真空辅助过滤法制备石墨烯/细菌纤维素具有低电阻的特性，可用作传感器电极使用。将氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料滴涂在叉指电极上形成湿度敏感层，具有良好的湿度传感性能。

图2 石墨烯/细菌纤维素和氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料表征

石墨烯纳米片在细菌纤维素的支撑下形成多孔结构，为压力传感提供了良好的形变能力（图2）。细胞毒性实验表明，石墨烯/细菌纤维素生物气凝胶具有生物兼容性。

图3 RAW264.7细胞在石墨烯/细菌纤维素和石墨烯样品表面的粘附

RAW264.7细胞在石墨烯和石墨烯/细菌纤维素复合材料上培养1天后均能获得较好的附着。培养3 天后，细胞核和细胞骨架染色表明，样品表面适合细胞扩散和增殖。

图4 L929细胞在石墨烯/细菌纤维素和石墨烯样品表面的活/死染色

使用活/死染色试剂盒鉴定石墨烯/BC和石墨烯的细胞毒性(图4)。在初始阶段，各组细胞行为无明显差异。经过1天和3天的培养，在石墨烯/细菌纤维素和石墨烯上仅检测到少量死亡细胞，说明石墨烯/BC和石墨烯具有较高的生物相容性。

图5 石墨烯和石墨烯/细菌纤维素皮下植入实验

进行皮下植入以评估体内生物反应(图5)。植入1天后，样品周围几乎没有生物反应。但在植入14天后，与石墨烯/细菌纤维素相比，石墨烯保持了较厚的层状结构，说明细菌纤维素的加入显著降低了石墨烯在体内引起的炎症反应。

图6 柔性压力传感器表征

为了研究压力传感特性，通过将石墨烯/细菌纤维素气凝胶夹在粘附了石墨烯/细菌纤维素电极的PU薄膜之间来制造传感器。该传感器在各种外力刺激下显示出清晰稳定的响应/恢复行为，证实了其监测不同压力的能力（图6）。该器件显示出快速响应特性。进行了多次加载和卸载循环，响应迅速而稳定。基于石墨烯/细菌纤维素的柔性传感器能够实时检测人体健康特征（图7）。

图7 柔性压力传感器应用于生理信号监测

图8 柔性湿度传感器表征

此外，氧化石墨烯/细菌纤维素复合材料制备出的湿度传感器也表现出较好的湿度响应。75%RH下响应恢复时间为130s和19s。

图9 呼吸信号采集平台

图10 睡眠呼吸监测

作者基于石墨烯/细菌纤维素生物气凝胶制备了柔性多功能传感平台，可以应用于应变/湿度呼吸信号同步采集，为临床诊断提供了数据。基于WIFI技术设计了无线传感平台，实现多终端同步监控。

结论：在此项研究中，研究者发了一种多功能集成的无线柔性传感平台，可用于监测生理信号和呼吸，利用基于莫尔斯电码的无线通信和反馈报警功能跟踪睡眠状态。采用超声破碎和冷冻干燥相结合的简单制备工艺，成功制备了柔性压力和湿度传感器。石墨烯/细菌纤维素和氧化石墨烯/细菌纤维素分别作为压力敏感材料和湿度敏感材料。由于采用了细菌纤维素纤维和三维多孔骨架结构，柔性压力传感器在相对较宽的压力范围内(从20 pa到30 kPa)具有较高的灵敏度。压力传感器能够实时监测全身的生理信号。由于电阻低，在实际应用中对功耗要求低，更适合用于可穿戴设备。柔性湿度传感器在湿度灵敏度方面表现出独特的特性。在睡眠中长时间佩戴无线呼吸监测器可以提供睡眠呼吸暂停综合征的诊断数据。

相关工作以“Multifunctional wearable humidity and pressure sensors based on biocompatible graphene/bacterial cellulose bioaerogel for wireless monitoring and early warning of sleep apnea syndrome” 为题发表在Nano Energy上。河北工业大学机械工程学院博士研究生孙敬尧为第一作者，2019年本科毕业于兰州理工大学，目前研究方向为可穿戴柔性传感器，植入式生物可兼容柔性传感系统，无线柔性传感电路设计。

本文由作者供稿