全球呼吸系統疾病發病率持續攀升，亟需高效診斷工具。當前可穿戴設備雖能監測汗液、唾液等體液，但對呼出氣冷凝液（EBC）的連續采樣與分析仍面臨挑戰——日常活動中難以穩定獲取EBC樣本。尤其對于呼吸性堿中毒患者（常伴隨頭暈、昏厥），臨床依賴有創的動脈血氣分析（ABC）評估血液酸堿失衡，但頻繁采血不具操作性。呼吸節律紊亂作為早期病理信號，其產生的微弱氣壓（常低于0.3 Pa）也超出傳統壓阻傳感器的檢測極限。

同濟大學任杰教授團隊開發了一種基于離子凝膠微針（IMN-1/2）的可穿戴口罩，通過金字塔形微陣列結構實現超低壓傳感（0.3 Pa）與超高靈敏度（2980.23 kPa?1）。該設備整合印刷電路板（PCB）和藍牙模塊，可無線傳輸呼吸壓力、頻率及模式數據，同時利用pH響應型熒光交聯劑監測EBC酸堿度變化。微針的雙親特性（親水性單體DMAA與疏水性離子液體[t-Bu?]TFSI平衡）在限制溶脹的同時實現可控吸水，確保長期導電穩定性。更突破性的是，其強粘附性可密封口罩閥門，通過物理阻隔提升CO?復吸入，直接調節患者動脈血pH值，實現診療一體化。

創新設計與核心性能

微針通過定制PDMS模具光聚合制備，透明淡黃色金字塔結構（針高830 μm）具備梯度孔隙（2.8-7.9 nm）。有限元模擬（圖2f）顯示，0.5 Pa壓力下IMN-1/2形變率達13.6%，而傳統離子凝膠（IG-1/2）幾乎無響應。這種形變放大效應源于微針尖端的極小接觸面積，顯著縮短離子遷移路徑。雙親設計使微針接觸角10分鐘內從102.7°降至41.9°（圖2h），吸水率穩定在1.6%（圖2i），避免溶脹導致的離子液體泄漏。

圖1 梯度離子凝膠微針（IMN）口罩診療呼吸性堿中毒示意圖。 a) 血液與EBC間生物標志物交換過程； b) 口罩組裝剖面圖及藍牙實時呼吸壓力監測系統； c) 相同壓力下IMN與離子凝膠（IG）形變對比； d) PCB電路控制系統正反面視圖； e) 不同pH PBS緩沖液處理后的IMN熒光響應； f) IMN-1/2的熒光圖像。

圖2 IMN基礎表征。 a) 紫外光聚合制備流程； b) IMN-1/2實物圖； c) 微針尖端SEM（插圖為光學顯微鏡圖像）； d) 微針橫截面SEM； e) N1s與C1s元素的XPS分析； f) 有限元形變模擬； g) 微針吸水示意圖； h) IG-1/2與IMN-1/2接觸角變化（20分鐘）； i) 浸水48小時后質量變化率。

傳感性能測試揭示IMN-1/2在0.3 Pa壓力下電阻變化率（ΔR/R?）達10.9%，遠超IG-1/2（近乎零響應）。其靈敏度在低壓區（<10 Pa）達2980.23 kPa?1，比均質凝膠提升103%（圖3b）。機制在于相同壓力下（100 Pa），微針內部孔隙壓縮形變（61.98%）是傳統凝膠（1.32%）的47倍（圖3c）。經10,000次壓縮循環，電阻穩定性保持≈85%，響應/恢復時間僅40/70毫秒（圖3d-e）。15×15柔性傳感器陣列甚至可檢測羽毛觸壓（圖3g）。

圖3 IMN-1/2壓力傳感性能。 a) IMN-1/2與IG-1/2在0.3-150 Pa壓力下的電阻響應； b) 靈敏度對比； c) 100 Pa壓力下孔隙形變有限元模擬及離子遷移路徑； d) 耐久性測試（插圖為循環前后SEM）； e) 響應/恢復時間； f) 柔性傳感器陣列組裝示意圖； g) 陣列對不同物體的壓力感知。

生物安全與臨床驗證

生物相容性實驗證實：兔皮內注射微針提取物72小時后無紅腫或炎癥細胞（圖4b）；大鼠吸入霧化提取物14天，呼吸道組織未見纖維化（圖4g）。加速老化及實時30天測試表明，其傳感穩定性與吸水率未衰減。

圖4 生物相容性測試。 a) 皮內刺激實驗設計； b) 兔背部注射點組織學分析（H&E染色）； c) 呼吸道毒性實驗設計； d) 大鼠運動軌跡熱力圖； e) 活動區域統計； f) 大鼠健康狀態觀察； g) 呼吸道組織H&E染色。

將微針離子凝膠貼片和PCB（30×35 mm2）與藍牙模塊集成在口罩上，實時顯示呼吸模式（圖5e-f）。對比同類離子凝膠傳感器（圖5g），其檢測下限（0.3 Pa）與靈敏度均為當前最優。關鍵創新在于同步實現生理信號監測與治療：當EBC滲透微針時，弱堿性環境使熒光交聯劑[VIm-3]TFSI的咪唑環去質子化，抑制苯環至咪唑環的電子轉移，熒光強度隨pH上升而降低（圖6e-f），據此反演血液酸堿狀態。密封測試（圖6g）顯示微針阻隔人工煙霧效率超95%。

圖5 智能口罩無線監測系統。 a) PCB正面核心組件； b) PCB背面核心組件； c) 功能模塊框圖； d) 佩戴效果； e) 鼻呼吸實時監測； f) 口呼吸實時監測； g) 與已報道離子凝膠的性能對比； h) 先進可穿戴設備功能對比。

圖6 呼吸性堿中毒診療機制。 a) 熒光交聯劑[VIm-3]TFSI的時間分辨熒光衰減； b) HOMO/LUMO軌道能級圖； c) 空穴-電子分布； d) IMN熒光光譜； e) 不同pH PBS霧化處理后IMN-1/2熒光曲線； f) 熒光強度與pH的函數關系； g) 人工煙霧驗證口罩密封性； h) 志愿者EBC收集8小時后熒光強度與pH變化。

志愿者試驗

6名志愿者佩戴8小時后，動脈血平均PCO?從37.17 mmHg升至41.17 mmHg（↑10.76%），pH從7.448降至7.412，同時EBC熒光強度變化推算的pH值與動脈血結果一致（圖6h）。血氧參數（PO?、SpO?）保持安全范圍，證實治療安全性。

應用前景

該研究首創了"監測-診斷-治療"閉環系統：微針金字塔結構攻克了微弱呼吸壓檢測難題，雙親凝膠設計實現EBC長期穩定分析，而物理阻隔療法為呼吸性堿中毒提供了無創干預新策略。未來有望拓展至慢阻肺等呼吸疾病管理，推動微針貼片在個性化醫療中的應用。

來源：高分子科學前沿