以下文章來(lái)源于科技導(dǎo)報(bào) ，作者吳禮、羅瑞增等

科技導(dǎo)報(bào).

中國(guó)科協(xié)會(huì)刊—《科技導(dǎo)報(bào)》官方賬號(hào)

傳統(tǒng)的植入式心臟電子醫(yī)療器件電池壽命有限，難以為患者提供長(zhǎng)期、不間斷的監(jiān)測(cè)和治療，自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一難題。

本文介紹了自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的類(lèi)型和原理，從供能、傳感和電刺激3個(gè)方面回顧了自驅(qū)動(dòng)技術(shù)在植入式心臟電子醫(yī)療器件中的應(yīng)用，從自驅(qū)動(dòng)植入式心臟電子醫(yī)療器件能源的收集和存儲(chǔ)管理、植入物的長(zhǎng)期生物相容性、電刺激的生物學(xué)效應(yīng)3個(gè)方面展望了自驅(qū)動(dòng)技術(shù)與植入式心臟電子醫(yī)療器件未來(lái)的發(fā)展方向。

現(xiàn)有的心臟電子設(shè)備主要有植入式心臟起搏器、植入式心臟除顫器、植入式心臟監(jiān)護(hù)儀等，雖然這些設(shè)備可以對(duì)心臟病患者進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的監(jiān)測(cè)并及時(shí)的診斷和治療，保證患者的正常生活和工作。然而電池有限的壽命是一個(gè)不可回避的問(wèn)題，這極大地限制了心臟電子設(shè)備的發(fā)展。

目前臨床治療所使用的心臟起搏器電池壽命大概在7~8年，患者往往需要二次手術(shù)來(lái)更換電池或起搏器，這導(dǎo)致患者出現(xiàn)依從性差和易感染等問(wèn)題。因此，需要有可持續(xù)的能源供應(yīng)，以保證植入式心臟電子醫(yī)療器件可以為患者提供長(zhǎng)期、不間斷的監(jiān)測(cè)和治療。自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題，這類(lèi)技術(shù)可以將機(jī)械能、太陽(yáng)能、熱能及生化能量轉(zhuǎn)化為電能，來(lái)為設(shè)備供電。

自驅(qū)動(dòng)技術(shù)

對(duì)于植入式電子醫(yī)療器件的自驅(qū)動(dòng)技術(shù)，目前已經(jīng)探索出兩種實(shí)現(xiàn)途徑，一種是通過(guò)換能器件將環(huán)境中的能量（肌肉收縮、血流、穿過(guò)組織的紅外光和聲波等）轉(zhuǎn)化成電能為設(shè)備供電，另一種是通過(guò)換能器件將生物體中的物理能/化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。

現(xiàn)有的自驅(qū)動(dòng)技術(shù)包括壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）、摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）、太陽(yáng)能收集器、熱釋電納米發(fā)電機(jī)、生物燃料電池。

自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的類(lèi)型

壓電納米發(fā)電機(jī)

PENG是利用壓電效應(yīng)在納米尺度下收集微小機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能的一種納米發(fā)電機(jī)。壓電效應(yīng)是材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生內(nèi)部電勢(shì)的一種現(xiàn)象。PENG通常由外部負(fù)載、可產(chǎn)生壓電勢(shì)的壓電材料和柔性基板組成。

常見(jiàn)的壓電材料有氧化鋅（ZnO）、錫酸鋅（Zn‐SnO3）、鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE）等。PENG具有功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出相對(duì)較低。

PENG的輸出大小主要取決于壓電材料的壓電系數(shù)和應(yīng)變量。研究者通常會(huì)通過(guò)材料復(fù)合增加界面誘導(dǎo)效應(yīng)，從而增強(qiáng)壓電性能，如在PVDF基體中摻雜高介電常數(shù)、高壓電常數(shù)的陶瓷填料、碳基材料或金屬納米顆粒來(lái)提高β相的含量，從而增強(qiáng)PVDF的壓電性能。

改良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以增強(qiáng)壓電性能，比如多層聚合物納米復(fù)合材料可以通過(guò)介電/電極和介電/介電界面合成來(lái)抑制電荷注入和遷移，提高擊穿強(qiáng)度，從而增強(qiáng)能量密度。

摩擦電納米發(fā)電機(jī)

TENG是基于摩擦電效應(yīng)和靜電感應(yīng)所設(shè)計(jì)的納米發(fā)電機(jī)。TENG有4種不同的工作模式：垂直接觸-分離模式、水平滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立層模式。

垂直接觸-分離模式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)單、瞬時(shí)輸出功率高、易實(shí)現(xiàn)多層集成等，常用在間隔物結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)、彈簧支撐結(jié)構(gòu)的能量收集器中。

水平滑動(dòng)模式的TENG的輸出較低，但是由于其中1個(gè)摩擦面不需要連接導(dǎo)線，所以它的應(yīng)用也非常廣泛。不僅可以收集微風(fēng)、雨滴等機(jī)械能，還可以應(yīng)用于觸覺(jué)、速度、角度、壓力及人體健康監(jiān)測(cè)等傳感器。

獨(dú)立層模式的TENG中介電層的移動(dòng)不一定需要直接和電極進(jìn)行接觸，這樣就可以降低材料表面的磨損，增加TENG的耐久性。因此，這種模式可以廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪式、柵極整列式、滑動(dòng)式等不同結(jié)構(gòu)的能衡量收集器及藍(lán)色海洋能量收集。

納米發(fā)電機(jī)的原理

熱釋電納米發(fā)電機(jī)

熱釋電納米發(fā)電機(jī)是利用具有熱釋電效應(yīng)的納米材料把溫度變化轉(zhuǎn)化為電能的一種能量收集器。常用的熱釋電材料有ZnO、PZT、BTO、PVDF及其復(fù)合材料等。

熱釋電納米發(fā)電機(jī)具有耐用性高、環(huán)境適用性強(qiáng)、靈活等優(yōu)點(diǎn)，其輸出大小受材料的熱釋電系數(shù)和溫度變化的影響，通常用于火災(zāi)預(yù)警、熱傳感、熱成像、污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

熱釋電原理圖

生物燃料電池

生物燃料電池是從生物體、生物環(huán)境中獲取生化能量產(chǎn)生電能的一種能量收集器。根據(jù)催化劑類(lèi)型的不同，可將生物燃料電池分為微生物燃料電池、酶燃料電池、光催化燃料電池等。

微生物燃料電池和光催化燃料電池被廣泛用于污水處理和發(fā)電，酶燃料電池常用作生物傳感。

生物燃料電池原理

太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能的能量收集器。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，研究者逐漸開(kāi)發(fā)出了單晶硅、多晶硅、鈣鈦礦、無(wú)鉛鈣鈦礦等類(lèi)型的太陽(yáng)能電池。

由于太陽(yáng)能電池具有永久性、靈活性以及清潔性，被廣泛用于通信、交通、氣象等領(lǐng)域的供電。

太陽(yáng)能電池原理

自驅(qū)動(dòng)技術(shù)在植入式心臟電子醫(yī)療器件中的應(yīng)用

自驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以從身體及周?chē)h(huán)境中收集能量為電子器件供能，在植入式心臟電子醫(yī)療器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中具有巨大的潛力。

TENG、PENG具有形狀可調(diào)節(jié)、參數(shù)可控、體積小、生物相容性好、輸出高、靈敏度高、成本低、簡(jiǎn)單易獲得等特點(diǎn)。接下來(lái)將主要介紹基于TENG、PENG的自驅(qū)動(dòng)技術(shù)在植入式心臟電子醫(yī)療器件中的應(yīng)用。

設(shè)備供能

自中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林提出納米發(fā)電機(jī)以來(lái)，研究人員為了解決植入式心臟電子設(shè)備的能源供給問(wèn)題，根據(jù)不同植入部位和設(shè)備供能要求，開(kāi)發(fā)了各種結(jié)構(gòu)、模式及材料的納米發(fā)電機(jī)，將人體運(yùn)動(dòng)和維持生命活動(dòng)所產(chǎn)生的微小機(jī)械能轉(zhuǎn)化為設(shè)備所需的電能。

為了簡(jiǎn)單且有效提升壓電納米發(fā)電機(jī)的能量收集效率，其材料的使用原則不僅僅局限于單一無(wú)機(jī)或有機(jī)壓電材料，不少研究者開(kāi)始從無(wú)機(jī)和有機(jī)壓電材料的復(fù)合入手，解決單一無(wú)機(jī)壓電材料輸出較低的問(wèn)題。

垂直接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機(jī)可以很好地采集生物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微小機(jī)械能，如心臟跳動(dòng)、呼吸過(guò)程中膈肌的運(yùn)動(dòng)等，這為植入式電子器件的能源供給提供了一種新的策略。

納米發(fā)電機(jī)為植入式心臟電子設(shè)備供能

心功能傳感

納米發(fā)電機(jī)不僅可以為植入式醫(yī)療器件供電，還可以采集微弱的機(jī)械形變通過(guò)電信號(hào)的形式實(shí)現(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)，且不需要外部能源的供應(yīng)，可以完全實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)。納米發(fā)電機(jī)在作為生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究中表現(xiàn)出了較高的靈敏度、快速的響應(yīng)時(shí)間和優(yōu)異的穩(wěn)定性等優(yōu)異的特點(diǎn)。

心率和心律分別是可以簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)心臟跳動(dòng)速度和節(jié)律的極為重要的生命體征指標(biāo)。納米發(fā)電機(jī)可以將心臟跳動(dòng)轉(zhuǎn)化為電脈沖，電脈沖的頻率可以體現(xiàn)出心臟跳動(dòng)的速度，電脈沖的間隔可以提示心臟的節(jié)律。

植入心臟或心包的納米發(fā)電機(jī)不僅可用于監(jiān)測(cè)心率，還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)血壓。心內(nèi)壓的升高會(huì)增加心臟負(fù)荷，引發(fā)心衰、腦卒中等，常用侵入性心導(dǎo)管監(jiān)測(cè)心內(nèi)壓，但在長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)性的監(jiān)測(cè)中心導(dǎo)管具有局限性。

因此，Liu等利用摩擦納米發(fā)電機(jī)高靈敏度、小型化、柔性、自供電的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款心內(nèi)膜壓力傳感器，可以將心腔內(nèi)的血液流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心內(nèi)膜壓力的變化、心室顫動(dòng)和室性早搏。

植入式納米發(fā)電機(jī)作為心臟電子設(shè)備的傳感器

電刺激

竇房結(jié)作為“心臟起搏點(diǎn)”，其激動(dòng)時(shí)間或激動(dòng)位置異常均會(huì)引起心律失常。心律失常會(huì)影響心臟泵血功能，進(jìn)而導(dǎo)致各器官的供血不足，因此在監(jiān)測(cè)心率的同時(shí)需要及時(shí)的干預(yù)，維持心臟的自主性節(jié)律。

隨著材料的發(fā)展及納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，納米發(fā)電機(jī)的輸出性能也逐漸上升，不僅可以為商用心臟起搏器供能，還可以釋放電脈沖直接對(duì)心臟的細(xì)胞和支配心臟的神經(jīng)進(jìn)行電刺激。

植入式納米發(fā)電機(jī)在心臟刺激中的應(yīng)用

結(jié) 論

近些年來(lái)，植入式心臟電子設(shè)備的供能瓶頸問(wèn)題也因自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展得以解決?；诩{米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)技術(shù)在心臟電子設(shè)備中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在供能、傳感和電刺激3個(gè)方面。

基于納米發(fā)電機(jī)的心臟電子設(shè)備雖然在大動(dòng)物體上進(jìn)行了大量的研究，但未來(lái)仍有以下3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要探索：

1）能源的收集和儲(chǔ)存管理。納米發(fā)電機(jī)是將低頻的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由于人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如心跳和呼吸）頻率較低，所以納米發(fā)電機(jī)的能量收集效率相較于無(wú)線傳輸?shù)确绞饺蕴幱诘退健６壹{米發(fā)電機(jī)的阻抗與儲(chǔ)能電容的阻抗不一致，因此在充電過(guò)程中，能量存儲(chǔ)效率不高。

如何利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料優(yōu)化、工程技術(shù)提高植入式納米發(fā)電機(jī)的能量收集和存儲(chǔ)的效率是下一步需要研究的方向之一。

2）植入物的長(zhǎng)期生物相容性。在人體表面和組織內(nèi)部存在很多感知內(nèi)部或外部變化的感受器，較大的植入物會(huì)引起機(jī)體的排異反應(yīng)。為了提高生物相容性，不少研究者已經(jīng)進(jìn)行了多年研究，通過(guò)使用生物相容性好的材料、器件小型化等方式降低機(jī)體的排異反應(yīng)。

未來(lái)應(yīng)用到人體時(shí)還需更多關(guān)注植入式電子器件的安全性、器件體液環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3）電刺激的生物學(xué)效應(yīng)。目前大量植入式心臟電子設(shè)備主要集中在傳感和為商用設(shè)備的供能兩大方向，這使得納米發(fā)電機(jī)對(duì)心臟功能的恢復(fù)仍是間接的。盡管已有研究人員探究了納米發(fā)電機(jī)對(duì)心肌和支配心臟的迷走神經(jīng)進(jìn)行直接電刺激來(lái)一定程度上改善心臟的功能，但仍有一些刺激參數(shù)、生物學(xué)機(jī)制和其他的生物學(xué)效應(yīng)未進(jìn)行探究。

未來(lái)可以考慮使用納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的獨(dú)特電流（高電壓，低電流）對(duì)心肌和支配心臟的神經(jīng)實(shí)施精準(zhǔn)和個(gè)性化的電刺激和電調(diào)控。

基于自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的植入式心臟電子設(shè)備具有很高的臨床使用價(jià)值，面對(duì)上述挑戰(zhàn)，未來(lái)需要結(jié)合生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)和機(jī)械工程等學(xué)科的前沿技術(shù)手段，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)更適用于臨床診療的自驅(qū)動(dòng)植入式心臟電子設(shè)備。

原標(biāo)題：《科學(xué)新知｜從身體及環(huán)境中收集能量，自驅(qū)動(dòng)技術(shù)有望解決心臟電子設(shè)備供能難題》