以下文章來源于科技導(dǎo)報 ，作者吳禮、羅瑞增等

科技導(dǎo)報.

中國科協(xié)會刊—《科技導(dǎo)報》官方賬號

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

本文介紹了自驅(qū)動技術(shù)的類型和原理，從供能、傳感和電刺激3個方面回顧了自驅(qū)動技術(shù)在植入式心臟電子醫(yī)療器件中的應(yīng)用，從自驅(qū)動植入式心臟電子醫(yī)療器件能源的收集和存儲管理、植入物的長期生物相容性、電刺激的生物學(xué)效應(yīng)3個方面展望了自驅(qū)動技術(shù)與植入式心臟電子醫(yī)療器件未來的發(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)備可以對心臟病患者進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的監(jiān)測并及時的診斷和治療，保證患者的正常生活和工作。然而電池有限的壽命是一個不可回避的問題，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期、不間斷的監(jiān)測和治療。自驅(qū)動技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題，這類技術(shù)可以將機械能、太陽能、熱能及生化能量轉(zhuǎn)化為電能，來為設(shè)備供電。

自驅(qū)動技術(shù)

對于植入式電子醫(yī)療器件的自驅(qū)動技術(shù)，目前已經(jīng)探索出兩種實現(xiàn)途徑，一種是通過換能器件將環(huán)境中的能量（肌肉收縮、血流、穿過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)動技術(shù)包括壓電納米發(fā)電機（PENG）、摩擦納米發(fā)電機（TENG）、太陽能收集器、熱釋電納米發(fā)電機、生物燃料電池。

自驅(qū)動技術(shù)的類型

壓電納米發(fā)電機

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

常見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)計簡單、柔韌性和機械穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但其輸出相對較低。

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。研究者通常會通過材料復(fù)合增加界面誘導(dǎo)效應(yīng)，從而增強壓電性能，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提高β相的含量，從而增強PVDF的壓電性能。

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

摩擦電納米發(fā)電機

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

垂直接觸-分離模式的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作簡單、瞬時輸出功率高、易實現(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。

水平滑動模式的TENG的輸出較低，但是由于其中1個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)、雨滴等機械能，還可以應(yīng)用于觸覺、速度、角度、壓力及人體健康監(jiān)測等傳感器。

獨立層模式的TENG中介電層的移動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)電機的原理

熱釋電納米發(fā)電機

熱釋電納米發(fā)電機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)電機具有耐用性高、環(huán)境適用性強、靈活等優(yōu)點，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

太陽能電池

太陽能電池是利用半導(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，研究者逐漸開發(fā)出了單晶硅、多晶硅、鈣鈦礦、無鉛鈣鈦礦等類型的太陽能電池。

由于太陽能電池具有永久性、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。

太陽能電池原理

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

自驅(qū)動技術(shù)可以從身體及周圍環(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、簡單易獲得等特點。接下來將主要介紹基于TENG、PENG的自驅(qū)動技術(shù)在植入式心臟電子醫(yī)療器件中的應(yīng)用。

設(shè)備供能

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

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

垂直接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機可以很好地采集生物運動產(chǎn)生的微小機械能，如心臟跳動、呼吸過程中膈肌的運動等，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)電機為植入式心臟電子設(shè)備供能

心功能傳感

納米發(fā)電機不僅可以為植入式醫(yī)療器件供電，還可以采集微弱的機械形變通過電信號的形式實現(xiàn)傳感監(jiān)測，且不需要外部能源的供應(yīng)，可以完全實現(xiàn)自驅(qū)動。納米發(fā)電機在作為生物醫(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)時間和優(yōu)異的穩(wěn)定性等優(yōu)異的特點。

心率和心律分別是可以簡單評價心臟跳動速度和節(jié)律的極為重要的生命體征指標(biāo)。納米發(fā)電機可以將心臟跳動轉(zhuǎn)化為電脈沖，電脈沖的頻率可以體現(xiàn)出心臟跳動的速度，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)電機不僅可用于監(jiān)測心率，還可以用來監(jiān)測血壓。心內(nèi)壓的升高會增加心臟負(fù)荷，引發(fā)心衰、腦卒中等，常用侵入性心導(dǎo)管監(jiān)測心內(nèi)壓，但在長時間、連續(xù)性的監(jiān)測中心導(dǎo)管具有局限性。

因此，Liu等利用摩擦納米發(fā)電機高靈敏度、小型化、柔性、自供電的特點，設(shè)計了一款心內(nèi)膜壓力傳感器，可以將心腔內(nèi)的血液流動的能量轉(zhuǎn)化為電能，以實時監(jiān)測心內(nèi)膜壓力的變化、心室顫動和室性早搏。

植入式納米發(fā)電機作為心臟電子設(shè)備的傳感器

電刺激

竇房結(jié)作為“心臟起搏點”，其激動時間或激動位置異常均會引起心律失常。心律失常會影響心臟泵血功能，進(jìn)而導(dǎo)致各器官的供血不足，因此在監(jiān)測心率的同時需要及時的干預(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)電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，納米發(fā)電機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)電機在心臟刺激中的應(yīng)用

結(jié) 論

近些年來，植入式心臟電子設(shè)備的供能瓶頸問題也因自驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展得以解決。基于納米發(fā)電機的自驅(qū)動技術(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個方面。

基于納米發(fā)電機的心臟電子設(shè)備雖然在大動物體上進(jìn)行了大量的研究，但未來仍有以下3個關(guān)鍵問題需要探索：

1）能源的收集和儲存管理。納米發(fā)電機是將低頻的機械能轉(zhuǎn)化為電能，由于人體的機械運動（如心跳和呼吸）頻率較低，所以納米發(fā)電機的能量收集效率相較于無線傳輸?shù)确绞饺蕴幱诘退?。而且納米發(fā)電機的阻抗與儲能電容的阻抗不一致，因此在充電過程中，能量存儲效率不高。

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

2）植入物的長期生物相容性。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，較大的植入物會引起機體的排異反應(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，通過使用生物相容性好的材料、器件小型化等方式降低機體的排異反應(yīng)。

未來應(yīng)用到人體時還需更多關(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)電機對心臟功能的恢復(fù)仍是間接的。盡管已有研究人員探究了納米發(fā)電機對心肌和支配心臟的迷走神經(jīng)進(jìn)行直接電刺激來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)機制和其他的生物學(xué)效應(yīng)未進(jìn)行探究。

未來可以考慮使用納米發(fā)電機所產(chǎn)生的獨特電流（高電壓，低電流）對心肌和支配心臟的神經(jīng)實施精準(zhǔn)和個性化的電刺激和電調(diào)控。

基于自驅(qū)動技術(shù)的植入式心臟電子設(shè)備具有很高的臨床使用價值，面對上述挑戰(zhàn)，未來需要結(jié)合生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)和機械工程等學(xué)科的前沿技術(shù)手段，設(shè)計和開發(fā)更適用于臨床診療的自驅(qū)動植入式心臟電子設(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)動技術(shù)有望解決心臟電子設(shè)備供能難題》