科大研發革命性液態金屬智能貼片 實現臨床級居家心肺檢測

由香港科技大學（科大）化學及生物工程學系助理教授Hnin Yin Yin NYEIN教授率領的研究團隊，成功研發了一款名為「HELP」（Heteromodal Epidermal Liquid-metal Patch）的異質模態表皮液態金屬貼片。這款柔軟、仿生皮膚的可穿戴式貼片結合先進的液態金屬技術，能同步監測人體呼吸與心臟活動。憑藉其舒適、非侵入性的設計，HELP貼片有望推動居家健康監測的發展，為慢性呼吸系統及心血管疾病患者提供持續、臨床級居家健康監測的全新技術方案。

研究成果已於《科學進展》期刊發表，論文題為「Intermetallic-anchored epidermal EGaIn patch with analog constriction gates for cardiorespiratory monitoring」。研究由Nyein教授帶領，團隊成員均來自科大化學及生物工程學系，包括第一作者李玥博士（前博士後研究員及科大博士畢業生），以及五位共同作者——林于珺（前研究助理及科大工學士畢業生）、何安瑋（博士生）、王雪潔（博士生）、王旭（哲學碩士生）及崔強勝（前博士後研究員及科大博士畢業生）。

慢性呼吸道疾病，包括氣喘、慢性阻塞性肺病（COPD）及阻塞性睡眠呼吸中止症（OSA），是全球健康惡化與住院治療的主要原因之一。目前，這些疾病的診斷與管理高度依賴在專業臨床環境下進行的檢查。例如，肺功能測試需使用肺活量計，而睡眠障礙診斷則需進行夜間多項生理睡眠檢查（PSG）。PSG檢查需在患者身上黏貼數十條有線感測器，過程繁複且不舒適。由於這些診斷設備體積龐大、成本高昂，且需由專業醫護人員操作，因此並不適合日常居家使用。這導致許多關鍵的夜間呼吸變化及疾病惡化徵兆，往往無法被及時察覺。

儘管穿戴式健康感測器是日常居家監測的理想方案，但多年來，全球工程師一直面對一項關鍵挑戰：如何設計出既能對細微身體動作保持高度敏感，又能在長時間穿戴下維持穩定性能的感測器。液態金屬因具備優異的柔韌性和近乎零的機械疲勞特性，被廣泛視為軟性電子元件的極佳材料。然而，液態金屬本身對標準彈性基材的附著力欠佳；當整合至穿戴式裝置時，這種不相容性會導致基線訊號隨時間逐漸偏離正確狀態（即「訊號飄移」），並在使用者移動時產生嚴重的訊號失真，進而大幅降低持續監測的可靠性。

科大研究團隊透過創新的材料與結構協同設計，成功解決了這項困擾業界已久的工程挑戰。研究人員提出一套受生物啟發的錨定策略，能將液態金屬穩固地固定於基底之上。他們首先在彈性矽膠基底上預先沉積一層微米級的銀納米線（AgNWs）網絡，模仿壁虎腳掌的分層互鎖結構。此微米級網絡從化學與物理雙重層面錨定液態金屬，防止其滑動或產生訊號飄移。憑藉這項突破，HELP貼片即使經歷高達五十萬次拉伸循環後，仍能維持穩定的電性能。

為搭配此穩固基底，團隊還設計了獨特的「類比漸縮閘門」結構，沿着感測器的呼吸通道嵌入不同尺寸的圓頂狀微凸起結構，形成分級序列以模擬漸進式閥門。當使用者胸腔擴張時，這些微小閘門會依序收縮液態金屬傳導路徑。此設計使感測器在整個測量範圍內皆能保持卓越的靈敏度與線性度，不論是幾乎察覺不到的淺層靜止呼吸（胸腔應變低於0.01%），還是深層劇烈胸腔擴張，各種訊號都能輕鬆捕捉且完全不失真。

團隊最終研製成的HELP貼片採用雙通道設計。其中一條通道寬且厚，專門用於記錄清晰的心電圖（ECG）心臟訊號，且不受胸腔拉伸影響；另一通道則為細長的U形迴路，用於測量胸腔與腹部的物理運動。值得注意的是，儘管功能先進，HELP貼片並不需要昂貴的無塵室製程或複雜的製造設備。團隊開發了一套具高度可擴展性的簡易模板刷塗工藝，能將液態金屬圖案化於錨定基材上，使製造成本低廉且易於量產。

在初步臨床試驗中，研究團隊在人體上驗證了HELP系統的實用性。在睡眠監測中，其偵測睡眠呼吸中止事件的結果，與醫院黃金標準的PSG設備高度一致。過程中患者只需自行貼上HELP貼片（耗時少於一分鐘），毋需佩戴傳統睡眠研究所使用的多條有線感測器。此外，HELP貼片還能即時追蹤氣喘患者對支氣管擴張劑治療的反應，客觀反映患者的呼吸模式迅速恢復正常，並重新達至協調同步狀態的過程。

最值得關注的是，HELP的持續監測能力使研究人員得以捕捉標準門診檢查中容易被忽略的夜間關鍵生理變化。研究的通訊作者Nyein教授表示：「臨床試驗中最令人鼓舞的結果之一，是持續居家監測能捕捉到隱藏的症狀。例如在慢性阻塞性肺病患者身上，因為身體在清醒狀態下會自行調節，日間隨機檢測往往顯示血氧濃度正常。但我們的貼片能揭示身體在睡眠放鬆時的生理變化，從而實現預防性的醫療介入，而非被動地應對病情惡化。」