离子凝胶是生物电子领域一种新兴材料，近年来吸引了大量关于人体健康信号监测方面的研究。作为一种可拉伸电子材料，离子凝胶在拉伸变形过程中可将生理信号转换为电信号。但是，目前合成离子凝胶网络稀疏导致保水性差、机械性能低，尤其是抗疲劳性差的问题限制其进一步应用。用于慢性呼吸道疾病长期监测的应变传感器要求具有优异的循环稳定性和耐疲劳性能。目前商用凝胶的疲劳阈值通常非常低（< 10 J/m²），无法满足长期呼吸监测过程中连续往复的循环使用。此外，若能同时赋予水凝胶抗菌性能，则可以保护人体皮肤免收病菌侵害，从而实现长期、持续的健康监测。为了解决上述呼吸监测的问题，高可靠、耐疲劳和抑菌的智能离子凝胶可能是一个切实可行的方案。

针对离子凝胶力学性能差的问题，我们的前期工作通过一步物理交联方法制备了一种强韧的、具有纳米纤维化网络的聚乙烯醇（PVA）有机水凝胶。纳米纤维网络使得PVA有机水凝胶展现出非常高的韧性（3.2 MJ / m³）、高拉伸强度（1.4 MPa）、高透明度（90%）和耐干燥性。我们同时拓展了该PVA有机水凝胶在智能隐形眼镜和面部情绪识别的应用，可实现有效的眼部疲劳监测和人机交互（ACS applied materials & interfaces, 2020, 12(20): 23514-23522）。

本工作中，我们在具有纳米纤维网络结构的PVA离子有机凝胶基础上，通过一步热拉伸法制备了具有各向异性纳米微纤结构的PVA离子凝胶。WAXD、SAXS、双折射的结果均证实其内部具有良好的各向异性结构。当牵伸比为4.2时，取向因子达到0.79。在热定型后，凝胶出现明显的拉伸诱导结晶行为，形成尺寸更小数量更多的微晶区，这些微晶区作为交联点有助于提高其力学性能。平行于预拉伸方向，取向离子凝胶的疲劳阈值达到1130 J/m²，是未取向样品的5倍。由于内部纳米纤维结构和甘油的存在，取向离子凝胶的大肠杆菌抑菌率达到了99.3%，对金色葡萄球菌的抑菌率为95.6%。同时，取向离子凝胶用作应变传感器时，还展现出良好的灵敏度和线性度（GF = 0.79，R²> 0.99）。

基于这些优异的综合性能，我们巧妙地设计一款基于耐疲劳取向离子凝胶传感器的无线呼吸监测系统（WMRS），系统由无线信号采集/传输模块、可穿戴衬底、可拆卸凝胶贴片组成。该系统在动物和临床病人身上可以很好地检测人体呼吸过程中的变化。通过凝胶传感器获得信号并进行数据分析，构建了新的呼吸指标（呼吸频率，呼吸能量，吸气/呼吸时间比和人机对抗指标），可对临床患者进行长期呼吸力学监测和呼吸风险评级。与四川大学华西医院重症医学科进行联合研究，将WMRS应用在机械通气患者身上，结果表明WMRS可以为机械通气患者提供有效地呼吸状态和呼吸风险评估，可有效评估机械通气时发生的人机对抗，避免患者发生呼吸窘迫的风险。

本工作为无创监测临床患者呼吸状态和呼吸风险评估提供了一个可行的实施方案和思路，具有良好的应用前景。

Xiang-Jun Zha, Jian-Bo Li, Guo-Peng Liang, Jun-Hong Pu, Zhong-Wei Zhang, Bo Wang, Ji-Gang Huang, Jin Jia, Xin Zhao, Kai-Qi Pan, Mei-Ling Dong, Kai Ke, Yan Kang*, Wei Yang*, Anti-fatigue Ionic gels for long-term multimodal respiratory abnormality monitoring, Journal of Materials Science & Technology, Accepted on Dec. 16, 2022.

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223001044