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南郵趙強(qiáng)教授、李楊教授團(tuán)隊(duì) Matter: 可拉伸OECT助力高保真電生理監(jiān)測(cè)與深度學(xué)習(xí)輔助睡眠分析

2025-03-25 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：可拉伸OECT 高保真電生理監(jiān)測(cè) 深度學(xué)習(xí) 睡眠分析

優(yōu)質(zhì)睡眠對(duì)健康至關(guān)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(wèn)題。盡管多導(dǎo)睡眠圖（PSG）是OSA診斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但其復(fù)雜的設(shè)置、高昂的成本以及對(duì)有線傳感器的依賴，往往導(dǎo)致患者不適并增加操作難度，影響診斷的準(zhǔn)確性。有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）憑借其高跨導(dǎo)率和低噪聲特性，在生物電子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，為睡眠監(jiān)測(cè)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(yīng)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，南京郵電大學(xué)柔性電子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙強(qiáng)教授、李楊教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種高性能可拉伸OECT，并成功將其與深度學(xué)習(xí)算法集成，構(gòu)建了一套用于OSA檢測(cè)的高精度、無(wú)線化、智能化的電生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為便攜式電生理監(jiān)測(cè)和智能睡眠評(píng)估開(kāi)辟了新途徑（圖1）。相關(guān)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(xué)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(qiáng)教授。

圖1. 用于長(zhǎng)期電生理監(jiān)測(cè)和OSA檢測(cè)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(tuán)隊(duì)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(duì)PEDOT:PSS進(jìn)行改性。該方法顯著提高了PEDOT:PSS的電子電導(dǎo)率（~740 S cm^-1）、離子電導(dǎo)率（6×10^-6 S cm^-1）和拉伸性（~60%），確保OECT能夠在應(yīng)變條件下精確捕捉電生理信號(hào)。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(qiáng)了機(jī)械穩(wěn)定性，使其更加適用于長(zhǎng)期可穿戴生物電子設(shè)備（圖2）。

圖2. 基于IL改性PEDOT:PSS溝道的可拉伸OECT

為進(jìn)一步提升器件的穩(wěn)定性和可穿戴性，研究團(tuán)隊(duì)從拉伸性、離子導(dǎo)電性、粘附性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面系統(tǒng)比較了三種凝膠電解質(zhì)（水凝膠、有機(jī)凝膠和離子凝膠）的性能。實(shí)驗(yàn)表明，水凝膠雖然初始導(dǎo)電性較高，但其易揮發(fā)性會(huì)導(dǎo)致性能明顯下降，不適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；有機(jī)凝膠在拉伸性方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但其電導(dǎo)率較差，主要由于溶劑置換過(guò)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(dǎo)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(shì)，特別是在長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試中，離子凝膠在6個(gè)月后仍保持穩(wěn)定的離子電導(dǎo)率，使其成為OECT電解質(zhì)的最優(yōu)選擇。通過(guò)優(yōu)化溝道和電解質(zhì)材料，該OECT實(shí)現(xiàn)了高跨導(dǎo)率（~2.1 mS）、卓越的機(jī)械耐受性（30%應(yīng)變）和長(zhǎng)期穩(wěn)定性（>6個(gè)月），使其成為理想的可穿戴皮膚電子設(shè)備（圖3）。

圖3. 基于凝膠電解質(zhì)的高性能長(zhǎng)期可穿戴OECT

在系統(tǒng)集成方面，研究團(tuán)隊(duì)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(hào)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)35.7 dB的信噪比（圖4）。這一性能優(yōu)勢(shì)使系統(tǒng)能夠清晰捕捉微弱的生理信號(hào)變化，為高保真電生理監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步集成了低功耗藍(lán)牙模塊和微控制器，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，使系統(tǒng)能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，即使在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，該系統(tǒng)仍能捕捉清晰心電（ECG）信號(hào)，為長(zhǎng)期睡眠監(jiān)測(cè)提供了可靠保障。為實(shí)現(xiàn)OSA的智能檢測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將深度學(xué)習(xí)算法與OECT系統(tǒng)相結(jié)合。通過(guò)單導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)中的R波間隔（RR_I）、R波幅值（R_AMP）及ECG衍生呼吸信號(hào)（EDR）等關(guān)鍵特征，構(gòu)建了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的自動(dòng)檢測(cè)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(cè)和OSA檢測(cè)

該研究不僅提出了一種高性能可拉伸OECT，為電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)提供了高效解決方案，同時(shí)推動(dòng)了柔性生物電子學(xué)在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用。其無(wú)線化、智能化、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，使其在可穿戴運(yùn)動(dòng)裝備、醫(yī)療保健設(shè)備和先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。這項(xiàng)研究成果為睡眠障礙的早期診斷和個(gè)性化治療提供了新的技術(shù)手段，有望在未來(lái)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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