南邮赵强教授、李杨教授团队 Matter: 可拉伸OECT助力高保真电生理监测与深度学习辅助睡眠分析

2025-03-25 来源：高分子科技

优质睡眠对健康至关重要，然而，阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）患病率持续上升，已成为全球性的健康问题。尽管多导睡眠图（PSG）是OSA诊断的黄金标准，但其复杂的设置、高昂的成本以及对有线传感器的依赖，往往导致患者不适并增加操作难度，影响诊断的准确性。有机电化学晶体管（OECT）凭借其高跨导率和低噪声特性，在生物电子学领域展现出巨大应用潜力，为睡眠监测提供了创新解决方案。然而，传统基于（3,4-亚乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的OECT在性能平衡、应变敏感性及智能算法集成等方面仍面临诸多挑战，限制了其在长期监测中的应用。

针对上述问题，南京邮电大学柔性电子全国重点实验室赵强教授、李杨教授团队开发出一种高性能可拉伸OECT，并成功将其与深度学习算法集成，构建了一套用于OSA检测的高精度、无线化、智能化的电生理监测系统，为便携式电生理监测和智能睡眠评估开辟了新途径（图1）。相关研究成果以"Stretchable organic electrochemical transistors for sustained high-fidelity electrophysiology and deep-learning assisted sleep monitoring"为题发表在《Matter》期刊上。该论文的共同第一作者为南京邮电大学硕士研究生庞芸聪和李杨教授，通讯作者为李杨教授和赵强教授。

图1. 用于长期电生理监测和OSA检测的高性能、可拉伸和高稳定性OECT

在材料优化方面，研究团队首先筛选了一系列生物相容离子液体（ILs），并最终采用N-甲基，丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐（P14[TFSI]）对PEDOT:PSS进行改性。该方法显著提高了PEDOT:PSS的电子电导率（~740 S cm^-1）、离子电导率（6×10^-6 S cm^-1）和拉伸性（~60%），确保OECT能够在应变条件下精确捕捉电生理信号。相比传统添加剂，P14[TFSI]的引入有效提升了PEDOT:PSS的离子-电子传输效率，并增强了机械稳定性，使其更加适用于长期可穿戴生物电子设备（图2）。

图2. 基于IL改性PEDOT:PSS沟道的可拉伸OECT

为进一步提升器件的稳定性和可穿戴性，研究团队从拉伸性、离子导电性、粘附性和长期稳定性方面系统比较了三种凝胶电解质（水凝胶、有机凝胶和离子凝胶）的性能。实验表明，水凝胶虽然初始导电性较高，但其易挥发性会导致性能明显下降，不适用于长期监测；有机凝胶在拉伸性方面展现出优势，但其电导率较差，主要由于溶剂置换过程中的盐分流失。相比之下，基于深共晶溶剂（DES）的离子凝胶在电导率（2.3×10^-3 S cm^-1）、拉伸性（150%）和界面粘附性等方面表现出综合优势，特别是在长期稳定性测试中，离子凝胶在6个月后仍保持稳定的离子电导率，使其成为OECT电解质的最优选择。通过优化沟道和电解质材料，该OECT实现了高跨导率（~2.1 mS）、卓越的机械耐受性（30%应变）和长期稳定性（>6个月），使其成为理想的可穿戴皮肤电子设备（图3）。

图3. 基于凝胶电解质的高性能长期可穿戴OECT

在系统集成方面，研究团队充分利用OECT的局部放大特性，将其作为前置放大器，显著提升了信号质量，实现了高达35.7 dB的信噪比（图4）。这一性能优势使系统能够清晰捕捉微弱的生理信号变化，为高保真电生理监测提供了强有力的技术支撑。在此基础上，研究团队进一步集成了低功耗蓝牙模块和微控制器，实现无线数据传输，使系统能够在动态环境下进行实时监测。测试结果表明，即使在运动状态下，该系统仍能捕捉清晰心电（ECG）信号，为长期睡眠监测提供了可靠保障。为实现OSA的智能检测，研究团队创新性地将深度学习算法与OECT系统相结合。通过单导联ECG信号中的R波间隔（RR_I）、R波幅值（R_AMP）及ECG衍生呼吸信号（EDR）等关键特征，构建了基于卷积神经网络（CNN）的自动检测模型，为OSA的早期筛查提供了有效工具。

图4. 基于可拉伸OECT的电生理监测和OSA检测

该研究不仅提出了一种高性能可拉伸OECT，为电生理信号监测提供了高效解决方案，同时推动了柔性生物电子学在健康监测领域的深入应用。其无线化、智能化、稳定性高的特点，使其在可穿戴运动装备、医疗保健设备和先进生物医学系统等多个领域均具有广泛的应用前景。这项研究成果为睡眠障碍的早期诊断和个性化治疗提供了新的技术手段，有望在未来健康管理中发挥重要作用。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102086

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（责任编辑：xu）

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