UCLA陳俊教授 Chem. Soc. Rev. 封面: 用于個性化醫療保健的壓電納米發電機
柔性壓電納米發電機的發展在過去十年中經歷了快速發展，并正在成為未來最先進的個性化醫療保健的技術基礎。由于其高效的機械到電能轉換、易于實施和自供電特性，這些設備在主動傳感、電刺激治療以及人體生物力學能量收集領域進行大量創新的醫療保健應用。本文全面回顧了用于個性化醫療保健的壓電納米發電機（PENG）。在簡要介紹了壓電效應的基礎原理之后，還系統地討論了材料工程策略、器件結構設計以及以人體為中心的能量收集、傳感和治療應用。此外，還詳細概述了利用壓電納米發電機進行自供電生物電子學和個性化醫療保健的挑戰和機遇。
隨著傳感和信息網絡技術的顯著進步，互聯網不再局限于在計算機、手機等傳統智能設備上實現互聯互通。如今，新的技術平臺也可以將這些交互能力擴展到日常物體和個人，并逐漸形成涵蓋人類生活越來越多不同方面的物聯網 (IoT) 范式。新興的納米技術和材料科學本身也推動了柔性生物電子學的發展。結合物聯網平臺，智能可穿戴設備已廣泛應用于健康監測、人機融合、人工智能和許多其他應用。該領域已成為科學界和工業界的青睞。更具體地說，隨著 5G 技術的快速發展，可穿戴生物電子可以相互連接形成傳感器網絡，從而為個性化醫療提供大數據洞察，具有深遠的社會經濟影響。近年來，隨著醫療保健，診斷模型逐漸從以醫院為中心轉向以患者為中心，極大地促進了可穿戴生物電子技術在個性化醫療保健方面的發展。定制的柔性可穿戴傳感器可用于監測身體活動，生命體征，甚至像冠狀病毒這樣的傳染病，為個人提供了無創且有吸引力的動態健康評估和個性化醫療。
可穿戴生物電子學能夠將當前以疾病治療為中心的醫療保健系統轉變為以疾病預防和健康監測為重點的個性化模式。其中，可穿戴傳感器可以從人體捕獲有價值的信息實現人體健康監測，是成熟的醫療物聯網 (IoMT) 系統的核心組件之一。然而，為這些可穿戴設備提供持續穩定的電源仍然是一個重大挑戰。傳統上，標準供電方式依賴于電池，電子設備配備獨立電源以實現獨立運行。有效應對此類挑戰的一種方法是開發自供電傳感器。可以利用生活中的生物力學能量，如：身體活動、心臟/肺運動、血液循環等形式，將這些能量轉化為電能，預期將可穿戴設備與傳統電池的有限壽命和頻繁更換相分離，最終允許用于自供電操作。特別是對于植入式設備，自供電設備可以有效防止需要更換電源的二次手術，提供了巨大的優勢和重要的應用前景。
有幾種技術可以將這些生物力學能轉化為電能，包括但不限于壓電效應（PENGs），摩擦電效應（TENG）,磁彈性效應（MEG），和電磁效應。其中，基于壓電效應的壓電納米發電機（PENGs）自 2006年發明以來，因其固有的特性而備受關注。作為壓電材料，PENGs具有簡單的工程結構，可以實現機械能和電能的可逆轉換，實現高效的機電耦合、快速響應。PENG 不僅可以作為能量收集器，還可以提供主動傳感能力，包括觸覺傳感、應力或應變傳感、聲學傳感等形式。當附著在人體上時，PENGs 可以監測人體活動的微弱生理信號，包括脈搏檢測、呼吸監測、組織彈性模量計算、血流監測等。除了這些應用之外，產生的電力還廣泛用于原位電刺激、細胞活性調節、組織再生和藥物輸送。近年來，隨著新材料的出現隨著新加工技術的發展，PENG技術發展迅速，在能源、傳感和治療領域取得了重大進展。
本綜述旨在突出和涵蓋在能源、傳感和治療三個領域的近期 PENG 進展，重點關注其在個性化醫療保健中的生物醫學應用（圖 1）。為了更好地促進對 PENG 及其在醫療保健中的應用的理解，他們開始回顧并簡要介紹了PENG的基礎物理工作原理。隨后，介紹了一些典型的壓電材料，包括無機材料、有機材料、壓電復合材料和天然壓電材料。進一步涵蓋了各種基于壓電材料的生物電子學的研究進展以及現實生活中的生物醫學應用，包括在體能量收集、傳感和電刺激治療。在最后一節中，詳細概述了將 PENGs 用于個性化醫療保健的挑戰和機遇。
圖 1：用于個性化醫療保健的 PENG，包括人體相關的能量收集、自供電傳感和電刺激治療。
圖 2：壓電材料和壓電性。 (a) 影響壓電元件的力的方向。d33 (b) 和 d31 (c) 工作模式示意圖。(d)無機壓電材料ZnO的纖鋅礦結構模型。(e) 有機壓電聚合物 PVDF 的 α 相和 β 相結構。(f) M13 噬菌體的天然壓電材料。
圖3 PENGs的材料工程和結構設計。無機：圖案化 ZnO 納米棒的 SEM 圖像（左）。比例尺，2 μm。組裝后的硒納米線的 SEM 圖像（右）。比例尺，10 μm。有機物：PVDF 納米纖維的 SEM 圖像（左）。比例尺，5 μm。P(VDF-TrFE) 微柱的 SEM 圖像（右）。比例尺，30 μm。自然：蜘蛛絲結構示意圖（左）。單外殼蛋白示意圖（右）。復合材料：展示 PVDF-鈮酸鹽基 PENG 結構的示意圖（左）。示意圖表示基于 P(VDF-TrFE)/BNNTs 納米復合微柱的 PENG 的結構（右）。晶體管PENG 示意圖（左）。帶有交叉電極的 PENG 示意圖（右）。彎曲：可拉伸 PVDF 電子紋身的示意圖（左）和照片（右）。紡織品：基于 PVDF 的紡織品示意圖（左）。織物 PENG 的示意圖（右）。3D 結構：超低剛度 PVDF 細觀結構（左）和帶電極的 3D PVDF 細觀結構（右）的 SEM 圖像。比例尺，500 μm。
圖 4 基于無機壓電材料的能量收集。 (a) 基于 ZnO 納米線的 PENG 連接到人類食指并用手指彎曲的示意圖。(b) PENG 的 I-V 特性。插圖說明了 PENG 的示意圖及其關于測量系統的連接配置。(c) 當手指周期性地來回彎曲時，PENG 產生的開路電壓。(d) 使用柔性 PZT 能量收集器的可穿戴應用的示意圖。(e) 使用 LLO 方法制備柔性 PZT 薄膜基 PENG 的工藝示意圖。(f) 用鑷子彎曲的柔性 PZT 能量收集器的照片。比例尺，1 厘米。(g) 用手指彎曲的壓電復合材料的照片和彈性骨架上壓電復合材料的橫截面 SEM 圖像。比例尺，50 μm。(h) 不同植入部位的示意圖。(i) 來自不同注入位點的串聯（上）和并聯（下）模式注入的 PENG 的輸出性能。
圖 5 基于有機壓電材料的能量收集。 (a) 制備介孔壓電 PVDF 薄膜的示意圖。(b) 粘附在手指表面的介孔 PVDF 薄膜的照片。(c) 基于排列的納米纖維和 3D 叉指電極的 PENG 示意圖。(d) PDMS 中凹槽橫截面的顯微照片。比例尺，500 μm。(e) 緩慢行走的人產生的輸出電壓。(f) 包裹在主動脈上時在體內使用的 PENG 示意圖。(g) 該裝置的照片顯示其柔韌性并包裹在豬的升主動脈上（上部）。器件的輸出電壓隨不同的壓力應用而變化（下半部分）。 (h) 收縮壓高于 140 mmHg 時 PENG 點亮 LCD 的系統圖和照片。
圖 6 基于壓電復合材料的能量收集。 (a) 3D 互連壓電陶瓷泡沫基 PENG 的示意圖。(b) 大面積 3D 壓電復合材料的照片。比例尺，5 厘米。(c) 3D壓電復合材料在不同拉伸應變下的輸出電壓。(d) 所提出的 β 相形成機制的示意圖。(e) 核殼壓電納米纖維的 TEM 圖像。比例尺，500 nm。(f) 單個電子皮膚單元的示意圖。(g) 基于分層 PZT 陶瓷框架和 P(VDF-TrFE) 涂層膜的 HIPT 復合材料的示意圖，以銅網作為電極。(h) 具有 3D 插層電極的基于 Sm-PMN-PT 的 PENG 的示意圖。(i) 用于關節運動能量收集的制造電子皮膚的概念驗證說明。
圖 7 基于自然壓電材料的能量收集。 (a) 用四種谷氨酸進行生物工程修飾后的壓電 M13 噬菌體結構示意圖。（ b ）通過單層的軸向方向描繪具有隨機混合偶極子的噬菌體的壓電特性的示意圖。(c) 垂直排列的 M13 噬菌體組裝的強制滲透示意圖。(d) 由多孔模板中的重復滲透控制的噬菌體納米柱形成的示意圖。（e）蜘蛛絲結構示意圖（左）。天然蜘蛛絲的 SEM 圖像（右上）。比例尺，20 μm。蜘蛛絲的地形圖（右下）。(f) PENG 在外力作用下產生的輸出電壓。(g) 3 個串聯單元產生的電力立即點亮綠色和藍色 LED。(h) 非極化 ESM 的極化和電場曲線。(i) 與壓力相關的輸出電壓。(j) 晶片大小的壓電甘氨酸-PVA 薄膜的數碼照片。
圖 8 能量收集和存儲的集成。 (a) 集成在 1 μm 薄聚對二甲苯基板上的一系列超柔性器件的方案。(b) 用于收集生物力學能量的超柔性 PENG 的照片。比例尺，1 厘米。(c) 納米復合膜在生物運動下的能量轉換和儲存示意圖。(d) PENG和鋰離子電池混合的自充電電池結構設計。(e) 自充電電池的橫截面 SEM 圖像（左下角）。比例尺，30 μm。對齊的 TiO2 納米管的放大圖（右下角）。比例尺，1 μm。插圖是納米管的頂視圖 SEM 圖像。比例尺，200 nm。(f) 顯示柔性自充電電池設計的示意圖。(g) 通過手指按壓充電的柔性自充電電池的照片（上部）。一個典型的自充電和相應的放電過程（下圖）。(h) 基于硅氧烷的自充電電池的示意圖。
圖 9 用于人體運動感應的 PENG。(a) 超薄納米發電機作為追蹤眼球運動的自供電皮膚傳感器。(b) 在參與者進行面部動作（例如右臉頰抽搐）時分析皮膚應變。左側的圖像顯示應變圖作為人類參與者使用傳感器（左）和不使用傳感器（右）的結果示例，顯示最小主應變（頂部）和最大主應變（底部）。(c) 基于壓電陶瓷剪紙的頸部運動產生的電信號的實驗結果。(d) 多級感覺矩陣的示意圖。(e) 附在手掌上的四列多傳感器的照片圖像，用于捕捉手彎曲和手指抬起的運動（上圖）和相應的傳感信號（下圖）。(f) 智能腕帶在各種手腕運動下的輸出信號。(g) 用于肌肉行為監測的三維分級聯鎖 PVDF/ZnO 纖維基 PENG 示意圖。比例尺，1 μm。(h) 不同步行方向的小腿反應幅度（右腿）與另一條小腿反應幅度（左腿）的比值。
圖 10 用于人機交互的 PENG。 (a) 基于豇豆結構的 PVDF/ZnO 納米纖維的自供電壓電傳感器示意圖，用于遠程控制手勢。(b) 包含納米纖維薄膜和單根納米纖維的設計裝置示意圖。(c) 以不同角度彎曲產生的開路電壓。(d) 交互式人機界面閉環系統示意圖。(e) 透明壓電運動傳感器和電觸覺刺激器的圖像（插圖）。比例尺，20 毫米。(f) 由透明運動傳感器（第一行）和夾具上的壓力傳感器（第二行）獲取的檢測信號。
圖 11 用于生命體征傳感的 PENG。 (a) 基于 PZT 薄膜的自供電壓力傳感器的制造過程示意圖。（ b ）由結締組織增強的肌肉纖維和制成的肌肉纖維啟發壓電紡織品的示意圖。(c) PWV 計算示意圖。(d) 用于 PWV 計算的頸股動脈脈搏波形。(e) 深呼吸過程中吸氣和呼氣期間的肱動脈脈搏波形。(f) 使用 FEP/Ecoflex/FEP 夾層結構壓電駐極體薄膜的脈沖傳感裝置示意圖。(g) 模擬真實醫生的傳統中醫脈搏采集方案，使用三指與脈搏感應系統在寸、關、尺位置。(h) 分別為女性和男性志愿者在寸、關和池位置測量的典型脈搏波形。
圖 12 用于體外生物力學傳感的 PENG。(a) 基于具有拉伸主導微架構的 3D 打印柔性壓電晶格的無線自感應拳擊手套示意圖。(b) 手套的光學圖像和力量大小的空間分布，當它分別通過直接打擊和右勾拳擊中墻壁時。(c) 基于壓印 P(VDF-TrFE) 微柱陣列的柔性壓電三軸觸覺傳感器示意圖。(d) 三軸觸覺傳感器在法向力和剪切力下的模擬。(e) 集成自供電足部壓力傳感器陣列的照片和來自物體的壓力勢的二維等高線圖映射。(f) 具有超低剛度的 3D 中尺度壓電框架。（g）在大面積（頂部）和小面積（底部）施加壓力的裝置示意圖。(h) 在平方區域上施加不同外力（深灰色曲線）的時域輸出電壓（橙色曲線）。
圖 13 用于體內生物力學傳感的 PENG。 (a) 基于 PZT 納米帶的模量傳感器的分解示意圖。(b) 系統示意圖和前臂照片（不帶和帶安裝設備）。(c) 來自實驗的代表性數據。比例尺，2 厘米。(d) 基于超薄 PZT 執行器和傳感器的設備示意圖。(e) 所述裝置（左，比例尺，5 mm）和放置在生物組織上的裝置（右，比例尺，2 mm）的光學圖像。(f) 活體大鼠體內模量測量的光學圖像和結果以及解釋后相同器官的離體結果。比例尺，1 毫米。 (g) 可植入傳感器在組織（豬心臟）表面的潛在應用。比例尺，1 厘米。(h) 不同壓力下豬心臟上傳感器的電壓輸出，以及氣動平臺上的脈沖和類似心跳的輸入（底部）。約克夏豬模型（上）的體內評估中攝入牛奶前后的電壓輸出圖。(i) 基于 PZT 的傳感器與胃內經皮內窺鏡胃造口管的照片。比例尺，1 厘米。
圖 14 用于汗液傳感的 PENG。 (a) 四個用于汗液分析的自供電可穿戴無創壓電生物傳感單元。(b) 自供電可穿戴無創電子皮膚的橫向設備架構圖。(c) 自供電可穿戴無創電子皮膚的垂直設備架構圖。(d) ZnO 納米線陣列和橋接兩個 Ti 電極的單個 ZnO 納米線的 SEM 圖像。比例尺，10 μm。(e) 改性 ZnO 納米線在純水中通過施加變形產生的壓電電位。(f) 對身體和體外測試的反應進行比較。
圖 15 用于細胞活性調節的 PENG。 (a) 說明影響 PC12 分化的細胞內途徑。(b) 壓電 β-PVDF 膜的超聲刺激示意圖，誘導 PC12 細胞的神經元分化。(c) 高度可控微電機誘導目標神經干細胞分化的示意圖。(d) 在具有納米級條紋陣列的 PVDF 表面上生長的活細胞的固有細胞力。(e) 不同條紋陣列的 PVDF 電學模擬結果。(f) 形態和 NG 細胞相互作用的 SEM 圖像。比例尺，5 μm（左）和 2 μm（右）。(g) 不同旋轉膜的簡化生成機制。
圖 16 用于傷口愈合的 PENG。 (a) 在內源電場下引發的傷口愈合機制示意圖。(b) 電紡 P(VDF-TrFE) 納米纖維支架植入大鼠皮下大腿區域（上）和縫合后植入部位（下）的圖像。(c) 間歇拉動植入支架的電流輸出。(d) L929 成纖維細胞在激發的組織培養聚苯乙烯上增殖的條形圖。(e) 用 Ag 電極修飾的 PZP 的示意圖，以測量機械彎曲產生的壓電電壓和電流密度。(f) 通過機械彎曲對 ZnO NR 單層產生的壓電電壓進行量化。 (g) 皮下距離測量的傷口部位示意圖。(h) 小鼠背部皮膚傷口的照片（左），以及通過在 PZP 上覆蓋透明薄膜將九層 PZP 放置在傷口上（右）。(i) 治療后 0、3、7 和 10 天的代表性皮膚傷口照片。
圖 17 用于藥物輸送的 PENG。 (a) FeGa@P(VDF-TrFE)核殼納米線示意圖。(b) 兩條納米線的 AFM 圖像，其中 FeGa 由 P(VDF-TrFE) 納米管生長而成。比例尺，200 nm。(c) 從有和沒有磁場暴露的 FeGa@P(VDF-TrFE) 核殼納米線獲得的壓電響應幅度環。(d) 核殼納米線在錐形旋轉磁場中的運動示意圖。(e) 操縱納米線以遵循心臟的形狀。比例尺，20 μm。(f) 顯示按需給藥實驗的方案。(g) 描述混合納米線與 PDA 和藥物的功能化，然后是磁觸發藥物釋放的方案。(h) 延時圖像顯示了在改變磁場參數時單個混合納米細胞從表面行走游泳模式轉變為擺動運動。比例尺，15 μm。(i) 顯示在不同磁驅動下，無 PVDF、有 P(VDF-HFP) 和有 P(VDF-TrFE) 的 NW 釋放 RhB 的圖。
圖 18 用于輔助物理治療的 PENG。 (a) 基于機器學習的說話人識別系統的總體示意圖。(b) 受基底膜啟發的柔性壓電聲學傳感器的示意圖。(c) 受基底膜共振結構啟發的微型 PMAS 的仿生多頻帶控制和移動生物特征認證的示意圖。(d) 從多通道中選擇的語音頻帶上產生的最高電信號的示意圖。(e) 多通道柔性壓電聲學傳感器記錄的標準化女性語音的聲音信號和相應的信號。 (f) 夾在兩個 Ag NWs 電極之間的透明幾丁質揚聲器的數碼照片。比例尺，3 厘米。(g) 硅襯底上幾丁質薄膜的晶體圖案。(h) 透明幾丁質揚聲器的短時傅里葉變換頻譜圖。
圖 19 用于神經刺激的 PENG。 (a) 使用靈活的 PIMNT 收割機對小鼠進行腦刺激的動物實驗說明。(b) 連接到雙極刺激電極的柔性 PIMNT 刺激器的照片，該電極位于 M1 皮層用于電刺激。比例尺，1 厘米。 (c) 用于刺激大鼠坐骨神經的無電池植入系統示意圖。 (d) 用于視網膜電刺激的毫米級柔性超聲誘導無線 PENG 的示意圖和設計。(e) 植入切除眼球的設備的光學圖像，以模擬植入場景。 比例尺，1 厘米。(f) 注入和非注入情況下器件輸出電壓和功率密度的比較。
圖 20 用于醫療物聯網的 PENG。 該智能系統包括高性能傳感器，可以檢測各種生理信號，并通過 5G 網絡將各種生理信號遠距離無線傳輸給醫生。數據分析完成后，醫生可以通過患者的體內、體側終端和設備向患者反饋甚至指導治療，從而實現閉環的個性化醫療保健。
本文鏈接：
Piezoelectric nanogenerators for personalized healthcare
W. Deng, Y. Zhou, A. Libanori, G. Chen, W. Yang, J. Chen, Chemical Society Reviews, 51, 3380-3435
https://doi.org/10.1039/D1CS00858G
