原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第19 期 《 自驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 》

穿戴式/植入式醫(yī)療設(shè)備的可持續(xù)運(yùn)行對(duì)于下一代個(gè)性化醫(yī)療至關(guān)重要。然而，有限的電池容量是大多數(shù)穿戴式/植入式醫(yī)療電子設(shè)備面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文綜述了基于壓電效應(yīng)、摩擦電效應(yīng)的納米發(fā)電機(jī)能量收集器的原理，分析用于穿戴式/植入式醫(yī)療設(shè)備納米發(fā)電機(jī)材料的選擇與設(shè)計(jì)、能量輸出、耐久性及其在生物醫(yī)學(xué)上的典型應(yīng)用和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)穿戴式/植入式醫(yī)療設(shè)備的實(shí)際需求，討論了納米發(fā)電機(jī)的前景和面臨的挑戰(zhàn)。

穿戴式和植入式電子醫(yī)療設(shè)備作為臨床上不可或缺的工具，常被用于監(jiān)測(cè)生理病理信號(hào)、治療疾病，特別是對(duì)于需要長(zhǎng)期和持續(xù)監(jiān)測(cè)、分析和治療的慢性病，電池等傳統(tǒng)電源雖然可以滿(mǎn)足所有設(shè)備的供電需求，但其高硬度、有限的壽命以及更換帶來(lái)的二次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等給患者帶來(lái)身心困擾。此外，這些電源通常含有有毒物質(zhì)，存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，自供電技術(shù)的發(fā)展為上述問(wèn)題提供了切實(shí)可行的解決方案，引起了人們的廣泛關(guān)注。隨著越來(lái)越多的穿戴式/植入式電子器件被用于生物醫(yī)療體系（圖1），基于壓電/摩擦電納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)電子器件展示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖1 納米發(fā)電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)治療和健康管理中的應(yīng)用

我們的研究對(duì)壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）和摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了概述，總結(jié)了近幾年用于生物納米發(fā)電機(jī)的材料選擇及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用方面的主要研究進(jìn)展。最后，從生物醫(yī)療角度討論納米發(fā)電機(jī)的前景和面臨的挑戰(zhàn)。

壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）基于壓電效應(yīng)，利用壓電材料在機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生形變產(chǎn)生電勢(shì)差，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這類(lèi)發(fā)電機(jī)制造工藝簡(jiǎn)單，易與 CMOS 制造工藝兼容，可以收集人體運(yùn)動(dòng)、呼吸等產(chǎn)生的機(jī)械能。用于生物醫(yī)用的壓電材料主要分為三類(lèi)：

1

生物無(wú)機(jī)材料，如氧化鋅（ZnO）、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）等，這些材料具有優(yōu)異壓電性能，但大多數(shù)對(duì)外部施加的應(yīng)變表現(xiàn)出較差的機(jī)械耐受性，在受到機(jī)械負(fù)荷或彎曲時(shí)容易斷裂，不能承受人體組織的變形，且部分材料存在生物毒性，這限制了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)上的應(yīng)用；

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生物有機(jī)材料，如PVDF及其共聚物P（VDF?TrFE），具有極高的柔韌性，良好的機(jī)械性能和生物相容性，但其壓電性能往往比不上無(wú)機(jī)壓電材料，基于有機(jī)壓電材料的納米發(fā)電機(jī)輸出性能較差。

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將有機(jī)壓電聚合物與無(wú)機(jī)壓電材料相結(jié)合構(gòu)建的復(fù)合壓電材料，如ZnO/rGO/PVDF、PZT/PVDF，有望同時(shí)提高材料的機(jī)械性能和壓電性能。

摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）利用兩種不同材料接觸分離時(shí)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)發(fā)電，具有結(jié)構(gòu)靈活、輸出效率高等優(yōu)勢(shì)。幾乎所有材料都具有摩擦電效應(yīng)，因此 TENG 材料的選擇范圍很廣。

用于生物醫(yī)用TENG的摩擦層材料通常要求其具有低毒性和良好的生物相容性，根據(jù)2個(gè)摩擦層的材料，摩擦電材料可分為金屬-聚合物、聚合物-聚合物和金屬-金屬3種。其中，金屬-聚合物和聚合物-聚合物是主流的摩擦層材料，常用的金屬如Al、Au、Cu、Ti等，聚合物如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、橡膠、氟化乙烯丙烯（FEP）等。

為了提高產(chǎn)電量，通常將正摩擦電材料（對(duì)電子的親和力低）與負(fù)摩擦電材料（對(duì)電子的親和力高）配對(duì)使輸出最大化；此外，通過(guò)物理化學(xué)手段制備線(xiàn)狀、棱錐狀、柱狀、半球狀等結(jié)構(gòu)或者在材料表面修飾上納米粒、納米管、納米線(xiàn)等調(diào)控材料的形貌結(jié)構(gòu)，增大材料的比表面積，進(jìn)一步提高輸出電信號(hào)。

PENG 更適于用作高頻振動(dòng)收集能量，而TENG 設(shè)備能更有效地將頻率低于4 Hz的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，這使其能夠從人體的低頻運(yùn)動(dòng)（如胃腸運(yùn)動(dòng)）中收集能量。兩者均可將機(jī)體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為有用的電能，為各種穿戴式和可植入式微型電子醫(yī)療設(shè)備提供動(dòng)力，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出多樣化應(yīng)用價(jià)值。

• 在穿戴設(shè)備方面，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率、血壓等生理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)藥物遞送，并能通過(guò)電刺激促進(jìn)傷口愈合。

• 在植入式設(shè)備領(lǐng)域，能夠?yàn)樾呐K起搏器提供能量，實(shí)現(xiàn)無(wú)電池起搏，還可通過(guò)電刺激促進(jìn)神經(jīng)再生，為神經(jīng)損傷修復(fù)提供新方案。

自供電的納米發(fā)電機(jī)可以收集生物信息并充當(dāng)電子醫(yī)療器件的電源，從而能夠應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)和生理功能調(diào)節(jié)，有望成為未來(lái)醫(yī)療設(shè)備的重要?jiǎng)恿υ矗苿?dòng)個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展，為患者提供更優(yōu)質(zhì)的診療體驗(yàn)。但是作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的納米發(fā)電機(jī)在未來(lái)的研究中仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。

1

當(dāng)前植入式電子醫(yī)療設(shè)備面臨的主要挑戰(zhàn)仍然是對(duì)能源收集器柔性部件的集成化以及系統(tǒng)的小型化。在保證能源收集器件有足夠能量供應(yīng)的同時(shí)減小其體積和重量對(duì)植入式能源收集器至關(guān)重要。

2

進(jìn)一步提高納米發(fā)電機(jī)能源收集器的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，能量收集器需要與其他電子設(shè)備集成，才能形成功能完善的一體化自供能系統(tǒng)。因此需要進(jìn)一步研發(fā)新材料并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，以提高其能量轉(zhuǎn)換效率，延長(zhǎng)納米發(fā)電機(jī)的使用周期。

3

當(dāng)前納米發(fā)電機(jī)的研究主要集中于其性能及潛在的生物醫(yī)療應(yīng)用，實(shí)際的生物安全性、持久性等尚未深入研究。

4

納米發(fā)電機(jī)及其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的潛在應(yīng)用已得到蓬勃發(fā)展，然而用于納米發(fā)電機(jī)的材料自身的生化性能研究卻很少。我們需要結(jié)合材料本身的特性，與臨床實(shí)踐相結(jié)合。

本文作者：李曉燁、呂其英、王征、王琳

作者簡(jiǎn)介：李曉燁，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院協(xié)和醫(yī)院組織工程與再生醫(yī)學(xué)研究中心，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)；王琳（通信作者），華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院協(xié)和醫(yī)院組織工程與再生醫(yī)學(xué)研究中心、華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院協(xié)和醫(yī)院臨床檢驗(yàn)科，教授，研究方向?yàn)樵偕t(yī)學(xué)和腫瘤免疫。

文章來(lái) 源 ： 李曉燁, 呂其英, 王征, 等. 自驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(19): 106?124 .

本文有刪改，

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