黄维院士/赵强教授团队Matter：实现睡眠呼吸暂停综合症的精准监测

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-17 18:12

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北京时间2024年12月17日凌晨，南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室黄维院士、赵强教授团队在Matter期刊上发表了一篇题“Atomic sulfur-bonded titanium carbide nanosheets for flexible piezoresistive sensor in monitoring sleep apnea syndrome”的研究成果。该成果提出了一种S原子桥接策略制备大尺寸、褶皱和抗氧化 Ti₃C₂/Na₂S （TS）传感材料，优化了Ti₃C₂作为独立压阻材料特性，构建了超灵敏、高稳定柔性压力传感器，实现了睡眠呼吸暂停综合症（SAS）的精准监测。论文通讯作者是赵为为副教授、黄维院士、赵强教授；第一作者是白岩博士。

睡眠呼吸暂停综合征 (SAS) 是一种常见的呼吸系统疾病，表现为睡眠期间反复出现上气道部分或完全阻塞，导致呼吸暂停或低通气。这种疾病会影响心血管系统，增加心脏病和中风的风险，严重时甚至可能危及生命健康。据估计，全球约有10亿人患有SAS，传统的多导睡眠监测 (PSG) 作为诊断SAS的金标准，其穿戴不便、操作复杂等问题，限制了其在临床上的广泛应用。柔性传感器能够直接贴附于人体，实现有效信息传输，保证监测技术灵活性和舒适性。为了更方便地监测睡眠呼吸情况，研究人员将柔性传感器应用于SAS监测。目前，用于SAS检测的常见监测信号包括压力、温度和湿度，而温度和湿度往往会随着环境的变化而产生累积误差。柔性压阻传感器通过检测呼吸气流的微小压力变化来监测呼吸状态，这一过程对传感器监测信号的准确性和可靠性提出了更高的要求，而这些性能主要受压阻材料的影响。为满足该应用需求，有针对性地设计、制备具有高灵敏度、稳定性的柔性压阻材料是智慧医疗领域持续发展的动力，也是这一领域研究的关键。

得益于大比表面积、高导电性和丰富的表面官能团，二维超薄Ti₃C₂纳米材料是一种常见的压阻材料。但目前关于Ti₃C₂基柔性压阻传感器的研究成果存在结构压缩性差和易氧化的问题，很大程度上限制了其作为独立压阻材料的可行性。尽管通过与聚合物或弹性材料复合能够显著提升其弹性性能，但这种整合往往需要引入绝缘成分，这反而会干扰对微小压力信号的感知，导致传感器灵敏度和压力监测能力的下降。同时，由于热力学亚稳态，Ti₃C₂在水和空气环境中短短几天内会迅速发生氧化和降解，从而导致结构稳定性下降，进而降低器件性能。因此，如何在发挥Ti₃C₂优异性能的同时，协同提升传感器的灵敏度和稳定性等成为Ti₃C₂基柔性压阻传感器实用道路上亟待解决的关键核心问题。

针对Ti₃C₂结构压缩性差和易氧化的问题，该工作提出“S原子桥接策略”，采用S离子诱导横向尺寸为500nm的Ti₃C₂单元通过边界横向组装成7μm的大尺寸片材，通过Ti–S键和Ti–C键之间的晶格畸变形成褶皱结构，提供了丰富的空隙和压缩空间，增强了接触位点变化。与Ti₃C₂平面结构相比，压缩空间提升2倍，灵敏度提升了5倍，检测限超低至0.2Pa，能够识别微小压力信号，该性能完全不依托其它额外材料或弹性基质。同时S^2–离子还锚定在Ti₃C₂边缘，起到钝化作用，有效缓解了Ti₃C₂的氧化，抗氧化时间有效提升至105天。

该柔性压阻传感器通过搭载12位高精度模数转换器（ADC）、32位微控制器单元（MCU）、低偏移电压运算放大器（Op-Amp）、低压解调器（LDO）、2.4GHz陶瓷天线和蓝牙，成功开发了无线呼吸监测系统，结合相关双采样技术集成，提高了采样精度，减少了噪声对信号的影响，确保了数据的准确性，精准识别并监测呼吸状态，该系统可以准确检测四种呼吸状态（正常呼吸、呼吸暂停、快速呼吸和深呼吸），并且能够检测异常呼吸（信号暂停≥10s，或频率≥27min^-1），及时触发警报。与现有睡眠健康监测系统相比，该系统具有无线传输和便携性的优势，并能够更准确地诊断SAS。该研究成果为开发高性能柔性压阻式传感器提供了新的思路，并有望在智能医疗保健领域得到广泛应用。

图1：TS材料的制备与表征。

图2：TS材料的形成机理。

图3：TS材料的稳定性能表征。

图4：TS材料的传感性能表征。

图5：TS基柔性压阻式传感器的睡眠呼吸健康监测应用。