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苏州大学程丝教授团队等：受皮肤和毛发启发的复合纳米纤维水凝胶，用作睡眠呼吸障碍综合征多导监测传感器
柔性传感器，尤其是仿生毛发状传感器，由于其在检测细微的呼吸气流方面具有非凡的灵敏度，因而在实时监测睡眠呼吸障碍综合征（SAS）方面具有极大优势。然而，目前大多数仿毛发的结构设计仅限于具有单信号响应的毛发结构模拟，而忽视了皮肤-毛发功能整合在生物机械传感中的关键作用。
近日，苏州大学程丝教授团队与苏州九龙医院的成苏杭博士合作在《Journal of Colloid and Interface Science》上发表题为“Skin- and hair- inspired nanofibrious hydrogel composite as multimodal sensor for polysomnographic monitoring in sleep apnea syndrome”的研究成果，第一作者为苏州大学本科生沈萌，通讯作者为苏州大学的程丝教授和苏州九龙医院的成苏杭博士（副主任医师）。该工作通过碱解聚丙烯腈/离子液体/静电植绒碳纤维 （aPAN/IL/CFs） 纳米纤维水凝胶制备仿皮肤-毛发结构传感器（图1）。这种水凝胶将导电 aPAN/IL 水凝胶（模拟皮肤）与通过静电植绒制造的垂直排列碳纤维（模拟毛发）相结合，从而实现多模态气流和应变检测，以实现全面的多导 SAS 监测。aPAN/IL/CFs 纳米纤维水凝胶对气流和应变传感器表现出极高的灵敏度，包括 0.10 s 的快速气流响应时间、0.033 m s -1 的最小可检测气流速度和 0.6 s 的快速拉伸响应时间，最大应变灵敏度（GF）为 76.1。此外，轻质自粘式 aPAN/IL/CFs 纳米纤维水凝胶有助于与医疗设备无缝集成，以监测 SAS 患者的生理信号，包括呼吸气流、腹部呼吸和脉搏检测。除了呼吸监测之外，这个传感器还支持语言能力受损的危重患者的手势识别。此前，苏州大学程丝教授团队在《Small Structures》上发表名为“Electrostatic Flocking: Reborn to Embrace Multifunctional Applications”（Small Struct. 2025, 2500143）的有关静电植绒的综述，本文延续了静电植绒的制备技术，利用静电植绒结构对微小力响应的优势，制备该传感器。
图1 a) aPAN/IL/CFs纳米纤维水凝胶制备工艺示意图。b) aPAN/IL/CFs 纳米纤维水凝胶的多种应用，包括呼吸监测、脉搏监测和手势识别。
该传感器的核心在于仿生结构的构建：采用静电植绒技术，在 aPAN/IL 纳米纤维水凝胶基底表面形成垂直排列的碳纤维阵列（aPAN/IL/CFs）。其中，垂直排列的碳纤维模拟人体毛发，凭借高长径比和纤维间接触分离动态实现外部信号的高灵敏传递；aPAN/IL 纳米纤维水凝胶则模拟皮肤及皮下神经网络，不仅形成互联的导电通路缩短传感器响应时间，其固有粘性还确保了与生物曲面的紧密贴合。
首先，通过碱解将 PAN/IL 电纺纤维膜转化为具有很好粘附性的纳米纤维水凝胶。随后，利用静电植绒技术将碳纤维均匀垂直阵列分布在粘性水凝胶表面。这一工艺无需额外粘合剂，简化了静电植绒的制备流程，同时确保了纤维阵列的稳定性。材料表征显示，经90分钟碱解的水凝胶断裂伸长率可达约 50%，远超原始 PAN/IL 电纺纤维膜，显著提升了韧性（图2）。
图2 a) PAN/IL 静电纺丝纤维膜的照片和 SEM 图像。b) aPAN/IL 纳米纤维水凝胶的照片和 SEM 图像。c) PAN/IL静电纺丝纤维膜和aPAN/IL纳米纤维水凝胶的力学性能。d) aPAN/IL纳米纤维水凝胶的拉伸照片。e) 从 PAN 到 aPAN 的转换示意图。aPAN/IL纳米纤维水凝胶中aPAN和IL之间的相互作用。f) PAN静电纺丝纤维膜、PAN/IL静电纺丝纤维膜、aPAN/IL纳米纤维膜和aPAN/IL纳米纤维水凝胶的FTIR光谱。g) aPAN/IL 纳米纤维水凝胶粘附在玻璃、铝、纸张、PET、硅片和人体皮肤上。h) aPAN/IL/CF s纳米纤维水凝胶中碳纤维植绒层侧视图的照片和SEM图像。i) 人体毛发和皮肤感觉系统的示意图。
aPAN/IL/CFs 纳米纤维水凝胶在气流和应变传感方面表现出优异性能：气流响应时间仅 0.10 秒，最小可检测气流速度低至 0.033 m s-1，在低气流区间（<1 m s-1）的灵敏度达 38.0% s m-1，远高于 aPAN/IL（0.046% s m-1）和 aPAN/CFs（6.5% s m-1）水凝胶（图3）。应变传感中，其GF在 13%-20% 应变范围内高达 76.1，响应时间 0.6 秒，且在 250 次循环拉伸中保持稳定响应，展现出对微小形变的高分辨能力（图4）。
传感机制研究表明，传感器电阻由基底电阻和碳纤维接触电阻组成，其中接触电阻起主导作用。气流或应变导致碳纤维接触状态变化，引发电阻波动，从而实现信号转换。
图3 a) 气流感应测试装置示意图和不同角度的气流测试示意图。b) 不同植绒密度（0.13 mg cm-2 和 1.37 mg cm-2）的传感响应图。c) 不同角度（0◦、45◦、90◦）气流的传感响应图和示意图。d) 不同气流速度的传感响应图。e) 气流感应的灵敏度。f) 气流感应的响应和恢复时间。g) 气流开/关 400 次重复循环的传感曲线。h) 响应时间、检测限和灵敏度与以往报道的比较。i) aPAN/IL/CFs 纳米纤维水凝胶的电路模型和传感图。j) 两根碳纤维接触并分离时的传感响应示意图。
图4 a) 在0-20 %应变范围内不同植绒密度的aPAN/IL纳米纤维水凝胶、aPAN/CFs纳米纤维水凝胶的灵敏度。b) 在各种应变水平下对重复拉伸的响应的循环测试。c) aPAN/IL/CFs 纳米纤维水凝胶的拉伸响应时间。d) GF与先前报告的比较。e) aPAN/IL/CFs纳米纤维水凝胶在250个循环周期内对2%循环应变的响应曲线。
在 SAS 监测中，该传感器展现出多维度应用价值：将其集成于鼻氧管可精准识别深呼吸、微弱呼吸、快速呼吸、咳嗽及呼吸暂停等状态；贴附于腹部可监测呼吸时的腹部形变，避免传统腹带的运动干扰；腕部佩戴时能捕捉脉搏波形的叩击波（P）、潮波（T）和重搏波（D），为 SAS 诊断提供辅助信息。此外，传感器在手势识别领域的应用为语言障碍患者带来福音。将其贴附于指关节，可通过识别不同弯曲角度实现美国手语（ASL）的翻译，包括数字 “1-4” 及 “错误”“是的”“忘记” 等词汇，为重症 SAS 患者语言沟通障碍时提供了重要的交流渠道（图5）。
图5 a) 鼻氧管呼吸试验示意图。b) 鼻氧管中的传感器对不同呼吸状态的不同反应。c) 对鼻氧管中模拟 SAS 患者状况的反应。d) 腹部模拟 SAS 患者状况的呼吸监测和反应示意图。e） 脉冲信号和标记峰的示意图和分析。f) 第一指关节的弯曲和相应的信号响应。g) 比较 PAN 水凝胶和 aPAN/IL/CF 纳米纤维水凝胶对第二指关节弯曲的信号响应。h) 不同手语的手势以及五个手指中每个手指的信号响应。
综上，团队开发了柔性自粘的 aPAN/IL 纳米纤维水凝胶，通过静电植绒在其表面形成垂直 CFs 阵列，制成用于 SAS 监测的轻质超灵敏传感器。受人类皮肤和毛发启发，aPAN/IL 水凝胶模拟皮下神经网络，植绒 CFs 复制毛发层，协同形成仿生高灵敏度传感器。水凝胶的自粘性使 CFs 无需粘合剂即可固定。所得 aPAN/IL/CFs 水凝胶对不同角度和速度的气流响应卓越。该传感器成功用于 SAS 呼吸监测系统，能准确识别深呼吸、微弱呼吸等多种呼吸状态，提供异常睡眠呼吸的实时反馈，还可用于语言交流障碍的危重 SAS 患者的手势识别。其仿生设计和材料创新或为呼吸监测等领域带来启发。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138406
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