科大研发革命性液态金属智能贴片 实现临床级居家心肺检测

由香港科技大学（科大）化学及生物工程学系助理教授Hnin Yin Yin NYEIN教授率领的研究团队，成功研发了一款名为「HELP」（Heteromodal Epidermal Liquid-metal Patch）的异质模态表皮液态金属贴片。这款柔软、仿生皮肤的可穿戴式贴片结合先进的液态金属技术，能同步监测人体呼吸与心脏活动。凭借其舒适、非侵入性的设计，HELP贴片有望推动居家健康监测的发展，为慢性呼吸系统及心血管疾病患者提供持续、临床级居家健康监测的全新技术方案。

研究成果已于《科学进展》期刊发表，论文题为「Intermetallic-anchored epidermal EGaIn patch with analog constriction gates for cardiorespiratory monitoring」。研究由Nyein教授带领，团队成员均来自科大化学及生物工程学系，包括第一作者李玥博士（前博士后研究员及科大博士毕业生），以及五位共同作者——林于珺（前研究助理及科大工学士毕业生）、何安玮（博士生）、王雪洁（博士生）、王旭（哲学硕士生）及崔强胜（前博士后研究员及科大博士毕业生）。

慢性呼吸道疾病，包括气喘、慢性阻塞性肺病（COPD）及阻塞性睡眠呼吸中止症（OSA），是全球健康恶化与住院治疗的主要原因之一。目前，这些疾病的诊断与管理高度依赖在专业临床环境下进行的检查。例如，肺功能测试需使用肺活量计，而睡眠障碍诊断则需进行夜间多项生理睡眠检查（PSG）。PSG检查需在患者身上黏贴数十条有线传感器，过程繁复且不舒适。由于这些诊断设备体积庞大、成本高昂，且需由专业医护人员操作，因此并不适合日常居家使用。这导致许多关键的夜间呼吸变化及疾病恶化征兆，往往无法被及时察觉。

尽管穿戴式健康传感器是日常居家监测的理想方案，但多年来，全球工程师一直面对一项关键挑战：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的柔韧性和近乎零的机械疲劳特性，被广泛视为软性电子组件的极佳材料。然而，液态金属本身对标准弹性基材的附着力欠佳；当整合至穿戴式装置时，这种不兼容性会导致基线讯号随时间逐渐偏离正确状态（即「讯号飘移」），并在使用者移动时产生严重的讯号失真，进而大幅降低持续监测的可靠性。

科大研究团队透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。研究人员提出一套受生物启发的锚定策略，能将液态金属稳固地固定于基底之上。他们首先在弹性硅胶基底上预先沉积一层微米级的银纳米线（AgNWs）网络，模仿壁虎脚掌的分层互锁结构。此微米级网络从化学与物理双重层面锚定液态金属，防止其滑动或产生讯号飘移。凭借这项突破，HELP贴片即使经历高达五十万次拉伸循环后，仍能维持稳定的电性能。

为搭配此稳固基底，团队还设计了独特的「模拟渐缩闸门」结构，沿着传感器的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。此设计使传感器在整个测量范围内皆能保持卓越的灵敏度与线性度，不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，各种讯号都能轻松捕捉且完全不失真。

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（ECG）心脏讯号，且不受胸腔拉伸影响；另一通道则为细长的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无尘室制程或复杂的制造设备。团队开发了一套具高度可扩展性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，其侦测睡眠呼吸中止事件的结果，与医院黄金标准的PSG设备高度一致。过程中患者只需自行贴上HELP贴片（耗时少于一分钟），毋需佩戴传统睡眠研究所使用的多条有线传感器。此外，HELP贴片还能实时追踪气喘患者对支气管扩张剂治疗的反应，客观反映患者的呼吸模式迅速恢复正常，并重新达至协调同步状态的过程。

最值得关注的是，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。研究的通讯作者Nyein教授表示：「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的症状。例如在慢性阻塞性肺病患者身上，因为身体在清醒状态下会自行调节，日间随机检测往往显示血氧浓度正常。但我们的贴片能揭示身体在睡眠放松时的生理变化，从而实现预防性的医疗介入，而非被动地应对病情恶化。」