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南郵趙強教授、李楊教授團隊 Matter: 可拉伸OECT助力高保真電生理監(jiān)測與深度學習輔助睡眠分析
2025-03-25  來源：高分子科技

  優(yōu)質睡眠對健康至關重要，然而，阻塞性睡眠呼吸暫停（OSA）患病率持續(xù)上升，已成為全球性的健康問題。盡管多導睡眠圖（PSG）是OSA診斷的黃金標準，但其復雜的設置、高昂的成本以及對有線傳感器的依賴，往往導致患者不適并增加操作難度，影響診斷的準確性。有機電化學晶體管（OECT）憑借其高跨導率和低噪聲特性，在生物電子學領域展現(xiàn)出巨大應用潛力，為睡眠監(jiān)測提供了創(chuàng)新解決方案。然而，傳統(tǒng)基于（3,4-亞乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的OECT在性能平衡、應變敏感性及智能算法集成等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了其在長期監(jiān)測中的應用。


  針對上述問題，南京郵電大學柔性電子全國重點實驗室趙強教授、李楊教授團隊開發(fā)出一種高性能可拉伸OECT，并成功將其與深度學習算法集成，構建了一套用于OSA檢測的高精度、無線化、智能化的電生理監(jiān)測系統(tǒng)，為便攜式電生理監(jiān)測和智能睡眠評估開辟了新途徑（圖1）。相關研究成果以"Stretchable organic electrochemical transistors for sustained high-fidelity electrophysiology and deep-learning assisted sleep monitoring"為題發(fā)表在《Matter》期刊上。該論文的共同第一作者為南京郵電大學碩士研究生龐蕓聰和李楊教授，通訊作者為李楊教授和趙強教授。


圖1. 用于長期電生理監(jiān)測和OSA檢測的高性能、可拉伸和高穩(wěn)定性OECT


  在材料優(yōu)化方面，研究團隊首先篩選了一系列生物相容離子液體（ILs），并最終采用N-甲基，丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽（P14[TFSI]）對PEDOT:PSS進行改性。該方法顯著提高了PEDOT:PSS的電子電導率（~740 S cm-1）、離子電導率（6×10-6 S cm-1）和拉伸性（~60%），確保OECT能夠在應變條件下精確捕捉電生理信號。相比傳統(tǒng)添加劑，P14[TFSI]的引入有效提升了PEDOT:PSS的離子-電子傳輸效率，并增強了機械穩(wěn)定性，使其更加適用于長期可穿戴生物電子設備（圖2）。


圖2. 基于IL改性PEDOT:PSS溝道的可拉伸OECT


  為進一步提升器件的穩(wěn)定性和可穿戴性，研究團隊從拉伸性、離子導電性、粘附性和長期穩(wěn)定性方面系統(tǒng)比較了三種凝膠電解質（水凝膠、有機凝膠和離子凝膠）的性能。實驗表明，水凝膠雖然初始導電性較高，但其易揮發(fā)性會導致性能明顯下降，不適用于長期監(jiān)測；有機凝膠在拉伸性方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，但其電導率較差，主要由于溶劑置換過程中的鹽分流失。相比之下，基于深共晶溶劑（DES）的離子凝膠在電導率（2.3×10-3 S cm-1）、拉伸性（150%）和界面粘附性等方面表現(xiàn)出綜合優(yōu)勢，特別是在長期穩(wěn)定性測試中，離子凝膠在6個月后仍保持穩(wěn)定的離子電導率，使其成為OECT電解質的最優(yōu)選擇。通過優(yōu)化溝道和電解質材料，該OECT實現(xiàn)了高跨導率（~2.1 mS）、卓越的機械耐受性（30%應變）和長期穩(wěn)定性（>6個月），使其成為理想的可穿戴皮膚電子設備（圖3）。


圖3. 基于凝膠電解質的高性能長期可穿戴OECT


  在系統(tǒng)集成方面，研究團隊充分利用OECT的局部放大特性，將其作為前置放大器，顯著提升了信號質量，實現(xiàn)了高達35.7 dB的信噪比（圖4）。這一性能優(yōu)勢使系統(tǒng)能夠清晰捕捉微弱的生理信號變化，為高保真電生理監(jiān)測提供了強有力的技術支撐。在此基礎上，研究團隊進一步集成了低功耗藍牙模塊和微控制器，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，使系統(tǒng)能夠在動態(tài)環(huán)境下進行實時監(jiān)測。測試結果表明，即使在運動狀態(tài)下，該系統(tǒng)仍能捕捉清晰心電（ECG）信號，為長期睡眠監(jiān)測提供了可靠保障。為實現(xiàn)OSA的智能檢測，研究團隊創(chuàng)新性地將深度學習算法與OECT系統(tǒng)相結合。通過單導聯(lián)ECG信號中的R波間隔（RRI）、R波幅值（RAMP）及ECG衍生呼吸信號（EDR）等關鍵特征，構建了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）的自動檢測模型，為OSA的早期篩查提供了有效工具。


圖4. 基于可拉伸OECT的電生理監(jiān)測和OSA檢測


  該研究不僅提出了一種高性能可拉伸OECT，為電生理信號監(jiān)測提供了高效解決方案，同時推動了柔性生物電子學在健康監(jiān)測領域的深入應用。其無線化、智能化、穩(wěn)定性高的特點，使其在可穿戴運動裝備、醫(yī)療保健設備和先進生物醫(yī)學系統(tǒng)等多個領域均具有廣泛的應用前景。這項研究成果為睡眠障礙的早期診斷和個性化治療提供了新的技術手段，有望在未來健康管理中發(fā)揮重要作用。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102086

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（責任編輯：xu）
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