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西南交大楊維清、鄧維禮 AM:多級層狀結構柔性壓電復合材料用于血流動力學監測
2024-04-08  來源:高分子科技

  心血管疾病(CVDs),如冠心病、中風、高血壓和心率失常等,已經成為人類健康的頭號殺手之一。據世界衛生組織統計,每年因心血管疾病死亡的人數約為1800萬,占全球總死亡人口的30%以上。心血管疾病作為一種慢性病,具有患病周期長、隱蔽性強、根治困難等特點,其日常監護預防對保護患者的生命安全至關重要。目前,血壓(BP)、心電信號(ECG)、超聲心動圖是臨床上心血管疾病篩查和診斷的主要依據。然而,臨床所用監測系統往往體積龐大、價格昂貴且對醫生依賴程度高,難以實現患者日常的生理監測,導致了實際需求和現實條件之間的巨大鴻溝。近年來興起的柔性可穿戴電子器件突破了傳統醫學的診斷局限性,為心血管疾病的智能監測提供了新的思路。



  近日,西南交通大學鄧維禮副教授和楊維清教授團隊開發了一種層次結構的柔性壓電復合材料實現了人體血流動力學的實時監測。該研究通過程控靜電紡絲聯合熱壓技術構建了多級層次化組裝的MXene/BN/P(VDF-TrFE)柔性壓電復合材料,克服了傳統壓電陶瓷材料硬脆的本征局限,實現了高壓電性和柔性的兼得。基于MXene與聚合物基體間的界面極化和BN對體相漏電流的抑制,壓電復合材料表現出高達41.67 pC N-1的壓電電荷系數以及342.9 mV m N-1的壓電電壓常數,所研制器件壓力響應靈敏度高達39.3 mV kPa-1,這些優異的性能賦予了器件在可穿戴心血管監測領域的可行性。基于此,作者團隊進一步研究了器件在血液動力學監測上的應用。結果表明,該器件可實現血壓、局域脈沖波速、心搏出量等重要臨床心血管指標的實時監測,且精度與商業化傳感器件相當。此外,作者團隊研究了柔性壓電器件對血液動力學狀態的全天監測數據,并結合機器學習算法實現了監測數據的分類判斷,為患者的實時生理狀態診斷提供了數據支撐。相關成果以Hierarchical Piezoelectric Composites for Non-invasive Continuous Cardiovascular Monitoring為題在線發表于《Advanced Materials》上(https://doi.org/10.1002/adma.202313612),西南交通大學材料學院博士研究生田果為論文第一作者。該項工作得到了國家自然科學基金、四川省自然科學基金以及中央高校基礎研究經費等項目的支持。


1. 層次化壓電復合材料心血管監測傳感器的設計理念 (a) 人體心血管系統和傳感器監測陣列示意圖;(b-c) 多層異質壓電復合材料結構示意圖;(d) 柔性大尺寸壓電復合薄膜實物圖。


2. 層次化結構壓電復合材料壓電增強機理探索及器件性能表征 (a) 不同層狀異質結構極化性能示意圖;(b-c) 不同復合結構的壓電電荷系數、壓電電壓常數及極化強度;(d-e) BN納米片對材料內部漏電流的抑制機制示意圖及不同復合結構的漏電流曲線;(f) 復合薄膜與商業PVDF壓電膜性能對比雷達圖;(g)復合材料內部電流路徑模擬結果;(h-i) 壓電復合器件的響應時間及壓力響應靈敏度。


3. 心率及血壓信號的監測和分析 (a-c) 壓電復合器件對橈動脈的監測及穩定性分析;(e-f) 正常及心率失常患者的監測數據及Poincare圖分析;(g-h) 改進的袖帶法用于傳感器血壓監測標定;(i-j) 壓電復合材料器件和商業器件監測血壓的Bland-Altman圖用于評估監測精度;(k) 左臂和右臂橈動脈血壓信號形狀因子的統計結果。


4. 壓電傳感陣列器件用于全天血流動力學監測 (a) 壓電復合材料柔性傳感陣列用于橈動脈監測實物圖及示意圖;(b) 陣列中不同傳感單元的壓電信號響應;(c) 心血管循環系統的物理模型及等效電路示意圖;(d-f) 橈動脈局域脈沖波速、每搏輸出量的分析;(g) 志愿者全天不同生理活動下的血流動力學參數監測結果;(h) 基于機器學習的心血管生理參數分類。
研究團隊通過程控靜電紡絲和熱壓技術構筑了一種理性結構的層狀異質壓電復合材料,對復合材料的壓電增強機理和器件性能進行了系統研究和優化,使得其傳感性能得到大幅度提升。同時,探索了器件在心血管血流動力學參數監測中的應用,監測精度與商業化器件相當,驗證了器件在日常監測中的可行性,有望為心血管疾病的智能診斷和提早干預治療提供數據支撐。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202313612


作者簡介:


田果,本文第一作者,西南交通大學材料科學與工程學院博士研究生,主要研究領域為壓電敏感材料及功能器件 。


鄧維禮,副教授/碩導,四川省學術和技術帶頭人后備人選,四川省海外高層次留學人才。長期從事納米功能材料及柔性電子器件的基礎研究,近年來,在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy 等國際知名期刊發表學術論文 40 余篇,被引7000余次,相關研究成果獲授權發明專利10余件。主持國家自然科學基金NSAF聯合基金項目、青年科學基金項目、四川省科技廳重點研發項目、四川省自然科學基金面上項目等多項國家及省部級科研項目。



楊維清,教授/博導,西南交通大學前沿科學研究院院長,從事能源信息材料與器件研究,在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater,ACS Nano,Nano Lett,Adv. Funct. Mater.,等國際著名刊物上發表SCI收錄論文共計240余篇,入選Elsevier高被引學者、Stanford-Elsevier全球全領域2%Top科學家;長期擔任科技部重大研發計劃項目會評專家和國家科技獎評審專家;科技成果轉化專利30余項,轉化經費3000余萬元;擔任中國超級電容器產業聯盟副秘書長;獲得教育部創新團隊、省“青年科技創新研究團隊”、省杰出青年基金、省“QR計劃”創新人才。所做工作被美國國家自然基金委(NSF)、Newscientist,CCTV等近20家媒體專題報道。

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