同济大学任杰教授团队AFM：离子凝胶微针贴片，实现超宽压力传感、超灵敏、多信号监测！

全球呼吸系统疾病发病率持续攀升，亟需高效诊断工具。当前可穿戴设备虽能监测汗液、唾液等体液，但对呼出气冷凝液（EBC）的连续采样与分析仍面临挑战——日常活动中难以稳定获取EBC样本。尤其对于呼吸性碱中毒患者（常伴随头晕、昏厥），临床依赖有创的动脉血气分析（ABC）评估血液酸碱失衡，但频繁采血不具操作性。呼吸节律紊乱作为早期病理信号，其产生的微弱气压（常低于0.3 Pa）也超出传统压阻传感器的检测极限。

同济大学任杰教授团队开发了一种基于离子凝胶微针（IMN-1/2）的可穿戴口罩，通过金字塔形微阵列结构实现超低压传感（0.3 Pa）与超高灵敏度（2980.23 kPa⁻¹）。该设备整合印刷电路板（PCB）和蓝牙模块，可无线传输呼吸压力、频率及模式数据，同时利用pH响应型荧光交联剂监测EBC酸碱度变化。微针的双亲特性（亲水性单体DMAA与疏水性离子液体[t-Bu₄]TFSI平衡）在限制溶胀的同时实现可控吸水，确保长期导电稳定性。更突破性的是，其强粘附性可密封口罩阀门，通过物理阻隔提升CO₂复吸入，直接调节患者动脉血pH值，实现诊疗一体化。

创新设计与核心性能

微针通过定制PDMS模具光聚合制备，透明淡黄色金字塔结构（针高830 μm）具备梯度孔隙（2.8-7.9 nm）。有限元模拟（图2f）显示，0.5 Pa压力下IMN-1/2形变率达13.6%，而传统离子凝胶（IG-1/2）几乎无响应。这种形变放大效应源于微针尖端的极小接触面积，显著缩短离子迁移路径。双亲设计使微针接触角10分钟内从102.7°降至41.9°（图2h），吸水率稳定在1.6%（图2i），避免溶胀导致的离子液体泄漏。

图1 梯度离子凝胶微针（IMN）口罩诊疗呼吸性碱中毒示意图。 a) 血液与EBC间生物标志物交换过程； b) 口罩组装剖面图及蓝牙实时呼吸压力监测系统； c) 相同压力下IMN与离子凝胶（IG）形变对比； d) PCB电路控制系统正反面视图； e) 不同pH PBS缓冲液处理后的IMN荧光响应； f) IMN-1/2的荧光图像。

图2 IMN基础表征。 a) 紫外光聚合制备流程； b) IMN-1/2实物图； c) 微针尖端SEM（插图为光学显微镜图像）； d) 微针横截面SEM； e) N1s与C1s元素的XPS分析； f) 有限元形变模拟； g) 微针吸水示意图； h) IG-1/2与IMN-1/2接触角变化（20分钟）； i) 浸水48小时后质量变化率。

传感性能测试揭示IMN-1/2在0.3 Pa压力下电阻变化率（ΔR/R₀）达10.9%，远超IG-1/2（近乎零响应）。其灵敏度在低压区（<10 Pa）达2980.23 kPa⁻¹，比均质凝胶提升103%（图3b）。机制在于相同压力下（100 Pa），微针内部孔隙压缩形变（61.98%）是传统凝胶（1.32%）的47倍（图3c）。经10,000次压缩循环，电阻稳定性保持≈85%，响应/恢复时间仅40/70毫秒（图3d-e）。15×15柔性传感器阵列甚至可检测羽毛触压（图3g）。

图3 IMN-1/2压力传感性能。 a) IMN-1/2与IG-1/2在0.3-150 Pa压力下的电阻响应； b) 灵敏度对比； c) 100 Pa压力下孔隙形变有限元模拟及离子迁移路径； d) 耐久性测试（插图为循环前后SEM）； e) 响应/恢复时间； f) 柔性传感器阵列组装示意图； g) 阵列对不同物体的压力感知。

生物安全与临床验证

生物相容性实验证实：兔皮内注射微针提取物72小时后无红肿或炎症细胞（图4b）；大鼠吸入雾化提取物14天，呼吸道组织未见纤维化（图4g）。加速老化及实时30天测试表明，其传感稳定性与吸水率未衰减。

图4 生物相容性测试。 a) 皮内刺激实验设计； b) 兔背部注射点组织学分析（H&E染色）； c) 呼吸道毒性实验设计； d) 大鼠运动轨迹热力图； e) 活动区域统计； f) 大鼠健康状态观察； g) 呼吸道组织H&E染色。

将微针离子凝胶贴片和PCB（30×35 mm²）与蓝牙模块集成在口罩上，实时显示呼吸模式（图5e-f）。对比同类离子凝胶传感器（图5g），其检测下限（0.3 Pa）与灵敏度均为当前最优。关键创新在于同步实现生理信号监测与治疗：当EBC渗透微针时，弱碱性环境使荧光交联剂[VIm-3]TFSI的咪唑环去质子化，抑制苯环至咪唑环的电子转移，荧光强度随pH上升而降低（图6e-f），据此反演血液酸碱状态。密封测试（图6g）显示微针阻隔人工烟雾效率超95%。

图5 智能口罩无线监测系统。 a) PCB正面核心组件； b) PCB背面核心组件； c) 功能模块框图； d) 佩戴效果； e) 鼻呼吸实时监测； f) 口呼吸实时监测； g) 与已报道离子凝胶的性能对比； h) 先进可穿戴设备功能对比。

图6 呼吸性碱中毒诊疗机制。 a) 荧光交联剂[VIm-3]TFSI的时间分辨荧光衰减； b) HOMO/LUMO轨道能级图； c) 空穴-电子分布； d) IMN荧光光谱； e) 不同pH PBS雾化处理后IMN-1/2荧光曲线； f) 荧光强度与pH的函数关系； g) 人工烟雾验证口罩密封性； h) 志愿者EBC收集8小时后荧光强度与pH变化。

志愿者试验

6名志愿者佩戴8小时后，动脉血平均PCO₂从37.17 mmHg升至41.17 mmHg（↑10.76%），pH从7.448降至7.412，同时EBC荧光强度变化推算的pH值与动脉血结果一致（图6h）。血氧参数（PO₂、SpO₂）保持安全范围，证实治疗安全性。

应用前景

该研究首创了"监测-诊断-治疗"闭环系统：微针金字塔结构攻克了微弱呼吸压检测难题，双亲凝胶设计实现EBC长期稳定分析，而物理阻隔疗法为呼吸性碱中毒提供了无创干预新策略。未来有望拓展至慢阻肺等呼吸疾病管理，推动微针贴片在个性化医疗中的应用。

来源：高分子科学前沿

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