近日，福州大学汪少芸教授团队在Chemical Engineering Journal（IF=13.2）杂志连续发表2篇论文，这次文章标题为“A locking-unlocking strategy enables open macroporous hydrogels for diagnosing-treating apnea”。福州大学汪少芸教授为本文通信作者。
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主要内容
呼吸是人体最基本的生理活动，其质量直接影响健康。严重呼吸障碍可诱发高血压、冠心病等疾病，呼吸状态也是重要的健康生物标志物。现有呼吸监测设备多局限于专业医疗机构，亟需便携式系统用于日常健康管理。
实时呼吸监测可通过检测口鼻呼出气体的温湿度以及胸腹运动来实现。目前可穿戴电子设备大多仅检测单一生理参数，而具备多模式（温度、湿度、应变）传感能力的传感器可显著提高评估准确性。此外，长期穿戴要求材料具有优异舒适性。水凝胶具有三维网络、低模量和良好柔韧性，但其在皮肤表面的粘附会阻碍散热和排湿，影响佩戴舒适度。因此，亟需开发兼具低模量和高透气性的水凝胶电极材料。
本研究提出一种基于“锁定-解锁”机制的由内而外原位盐析策略，成功制备了具有互穿大孔结构的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）水凝胶。所得水凝胶兼具高机械强度、优异的拉伸性能和低杨氏模量。通过浸渍法将DES引入多孔水凝胶中，可提升其保水能力，同时在极端温度下仍能保持稳定性能。这种相互连接的大孔结构实现了高效的气体渗透及加速的质量与热传递，从而显著提高了基于水凝胶的呼吸传感器的灵敏度。最终制得的多孔DES凝胶能够响应温度、湿度和应变信号，实现三模态呼吸监测：该传感器可追踪口腔和鼻腔呼吸过程中的气流变化，并识别由呼吸驱动的胸腹肌运动。这种三重传感机制有效降低了恶劣环境下的外部干扰，确保了常规医疗监测和极限运动应用中的检测精度。基于以多孔水凝胶为核心传感材料，汪少芸教授团队设计了一套集成化的睡眠呼吸暂停监测与治疗系统。
本研究为基于水凝胶的呼吸传感平台设计提供了新思路，并为高性能医疗可穿戴设备的研发提供了重要指导。
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图文鉴赏
图1 a）多孔离子凝胶制备工艺示意图；b）不同盐析方法对水凝胶结构的影响；c）锁定-解锁策略示意图；d）用于多模态呼吸传感装置的多孔离子凝胶
图2 a）不同金属离子对极端盐质量的影响；b）含不同金属离子的前驱体溶液的频率依赖性振荡流变特性；c）Ca²+与—OH基团的静电势分布；d）柠檬酸钠与氯化钙之间的反应机制；e）随时间变化的柠檬酸钙沉淀物质量；f）不同二醇处理条件下柠檬酸钙颗粒尺寸；SEM图像：g）PVA/EG-SC；h）PVA/PEG300-SC；i）PVA/PEG600-SC；j）PVA/PEG1000-SC
图3 a）二醇分子质量对极端盐质量的影响；b）多孔水凝胶的热重分析曲线；c）多孔水凝胶的含水量；d）不同分子质量二醇水溶液的拉曼光谱曲线；e）不同分子质量二醇与水分子的分子模型；f）不同分子质量二醇与水分子间的分子间相互作用能；g）H₂O与C—O—C键、以及H₂O与—OH基团间的相互作用能；h）二醇分子内两类氧原子的质量分数；i）温度对极端盐质量的影响；j）PVA—PVA分子间相互作用的温度依赖性曲线；k）两个PVA链段质心间距的温度依赖性曲线；l）二醇在PVA分子链上热调控“交联”与“解交联”切换机制示意图
图4不同分子质量二醇诱导形成的多孔水凝胶：（a）拉伸应力-应变曲线；（b）拉伸变形过程中多孔结构演变的示意图；（c）杨氏模量；（d）密度；（e）多孔结构对力学性能影响的示意图；（f）循环压缩曲线；（g）弹性恢复率；（h）消散能量；（i）多孔DES凝胶的拉伸曲线；（j）多孔DES在50%变形状态下进行5次循环压缩的循环压缩曲线；（k）多孔DES凝胶在五次循环拉伸试验中的弹性恢复率与消散能量
图5 a）多孔与非多孔DES凝胶传感器的耐湿度响应曲线；b）多孔与非多孔水凝胶的溶胀曲线；c）多孔结构增强质量与传热机制示意图；d）多孔DES凝胶传感器的耐温度响应曲线（针对多孔水凝胶和多孔DES凝胶）：e）热重分析曲线；f）40℃下的重量损失实验；g）多孔DES凝胶的应变响应曲线；h）25℃与−25℃下的拉伸曲线；i）25℃与−25℃下的压缩曲线；j）DSC曲线；K）低温下多孔水凝胶与离子凝胶的数字及热成像图像
图6多孔DES凝胶传感器在以下条件下的实时电阻变化：a）54%相对湿度与98%相对湿度交替变化；b）25℃与37℃交替变化；c）0.1、1、2 bar压力下的气体冲击。该多孔DES凝胶的电阻响应是在不同的：d）湿度、e）温度及f）压力条件下测得的；g）由多孔DES凝胶传感器监测的不同频率呼吸信号；h）高频呼吸监测曲线的局部放大图；i）采用多孔与非多孔DES凝胶对志愿者呼吸模式进行监测；j）多孔DES凝胶在腿部弯曲、手指弯曲及轻柔触碰时的电阻变化
图7多孔DES凝胶传感器的动态响应：a）连续全程口腔与鼻腔呼吸监测；b）鼻腔呼吸监测；c）口腔呼吸监测。通过该多孔水凝胶传感器在以下情况下进行呼吸状态监测：d）胸廓运动；e）腹部运动；f）呼吸监测-治疗系统的机制示意图；g）志愿者佩戴呼吸监测-治疗系统的数码照片；h）通过深度卷积神经网络实现的呼吸状态识别流程；i）基于多孔DES凝胶对志愿者呼吸及窒息状态的监测；j）不同时间点的测试准确率；k）不同时间点的混淆矩阵；l）准确率随时间点增加的变化趋势；m）错误率随时间点增加的变化趋势
专家介绍
汪少芸 二级教授/博士生导师
福州大学生物科学与工程学院 院长
福州大学海洋科学与技术研究院 院长
美国威斯康星大学和美国加州大学戴维斯分校博士后，现担任二级教授、博士生导师，福州大学生物科学与工程学院院长，福州大学海洋科学与技术研究院院长。入选国际食品科学院院士、全国“三八”红旗手、国家“万人计划”科技创新领军人才、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、省A类高层次人才、省高层次创新人才、省科技创新领军人才。担任国家“一流专业”负责人、“生物与医药”博士点负责人、省协同创新中心主任、省工程研究中心主任。兼任 《Food Biomacromolecules》主编，《Food Frontiers》副主编，《Food Science of Animal Products》科学主编，《Food Science and Human Wellness》《Journal of Future Foods》《食品科学》《食品工业科技》和《福州大学学报》 （自然科学版）编委，《中外食品技术》首批翻译专家。主持承担省部级以上及横向重大重点项目40余项，编写著作8 部，获授权发明专利79 件，发表SCI/EI收录学术论文230 篇，多篇论文获中国食品学会创新科技论文一等奖和福建省自然科学优秀论文一等奖，入选Elsevier全球前2%顶尖科学家榜单。主持成果获国际食品功能因子（ICOFF）学术大会奖、中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国石油和化工联合会科技进步一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、中国食品工业协会科技进步一等奖、中国食品产学研优秀科研成果一等奖、福建省科技进步一等奖、福建省自然科学二等奖、福建省科技进步二等奖（排名均第1）；获紫金科技创新奖、厦航奖教金奖；获评宝钢优秀教师、卢嘉锡优秀导师、中国食品科技学会科技创新-杰出青年、省优秀教师、省最美科技特派员、省优秀科技工作者。
翻译：罗敬（实习）；编辑：阎一鸣；责编：张睿梅
为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、皖西学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。
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