研究人员研发智能贴片实现临床级居家心肺检测

近日，香港科技大学化学及生物工程学系助理教授Hnin Yin Yin Nyein团队，成功研发出一种名为HELP（Heteromodal Epidermal Liquid-metal Patch）的异质模态表皮液态金属贴片。该贴片柔软、类皮肤、可穿戴，结合先进液态金属技术，能同步监测人体呼吸与心脏活动。相关成果发表于《科学进展》。

Hnin Yin Yin Nyein展示其团队开发的异质模态表皮液态金属贴片，简称HELP。

慢性呼吸系统疾病和睡眠呼吸障碍，包括哮喘、慢性阻塞性肺病及阻塞性睡眠呼吸暂停，是全球疾病负担和住院治疗的重要原因。目前，这些疾病的诊断与管理高度依赖专业临床环境。尽管可穿戴健康传感器是日常居家监测的理想方案，但多年来，工程师们一直面临一项关键挑战：如何设计出既能对细微身体动作保持高度敏感，又能在长时间穿戴下维持稳定性能的传感器。

液态金属因具备优异柔韧性和极低机械疲劳特性，被广泛视为软性电子组件的理想材料。然而，液态金属本身对标准弹性基材附着力欠佳；当整合至可穿戴设备时，这种不兼容性会导致基线信号随时间漂移，并在使用者运动时产生严重信号失真，进而大幅降低持续监测的可靠性。

HELP超薄柔软贴片能舒适地佩戴于使用者胸前，进行持续心肺监测。

针对上述科学问题，研究团队通过创新的材料与结构协同设计，成功解决了这项困扰业界已久的工程挑战。团队提出一套受生物启发的锚定策略，能将液态金属稳固固定于基底之上。他们首先在弹性硅胶基底上预先沉积一层微米级银纳米线网络，模仿壁虎脚掌的分层互锁结构。该微米级网络从化学与物理双重层面锚定液态金属，防止其滑动或产生信号漂移。凭借这项突破，HELP贴片即使经历高达50万次拉伸循环，仍能维持稳定的电性能。

为配合这一稳固基底，团队设计出独特的“模拟渐缩闸门”结构：沿传感器呼吸通道嵌入不同尺寸的圆顶状微凸起结构，形成分级序列，以模拟渐进式阀门。当使用者胸腔扩张时，这些微小闸门会依序收缩液态金属传导路径。该设计使传感器在整个测量范围内保持优异灵敏度与线性度，无论是几乎察觉不到的浅层静止呼吸（胸腔应变低于0.01%），还是深层剧烈胸腔扩张，信号均能清晰捕捉并保持良好保真度。

团队最终研制成的HELP贴片采用双通道设计。其中一条通道宽且厚，专门用于记录清晰的心电图心脏电信号，且不受胸腔拉伸影响；另一条通道为细长的U形回路，用于测量胸腔与腹部的物理运动。值得注意的是，尽管功能先进，HELP贴片并不需要昂贵的洁净室制程或复杂制造设备。团队开发了一套高度可扩展的简易模板刷涂工艺，能将液态金属图案化于锚定基材上，使制造成本低廉且易于量产。

在初步临床试验中，研究团队在人体上验证了HELP系统的实用性。在睡眠监测中，其检测睡眠呼吸暂停事件的结果与医院金标准PSG监测高度一致。患者只需自行贴上HELP贴片（耗时少于一分钟），无需佩戴传统睡眠研究所使用的多条有线传感器。此外，HELP贴片还能实时追踪哮喘患者对支气管扩张剂治疗的反应，客观反映患者呼吸模式迅速恢复正常并重新达到协调同步状态的过程。

“临床试验中最令人鼓舞的结果之一，是持续居家监测能捕捉到隐藏症状。HELP的持续监测能力使研究人员得以捕捉标准门诊检查中容易被忽略的夜间关键生理变化。”论文通讯作者Hnin Yin Yin Nyein表示，凭借舒适、无创的设计，HELP贴片有望推动居家健康监测发展，为慢性呼吸系统疾病及心血管疾病患者提供持续、临床级居家监测的新技术方案。