李虎，趙璐明，李喆，倪凡，劉卓，劉儒平，樊瑜波，李舟

生物工程與大健康

李舟 中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，納米能源與生物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，獲得國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃“青年拔尖”、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”、北京市“高創(chuàng)計(jì)劃”青年拔尖人才和北京市“科技新星”。發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，其中在和的子刊上共發(fā)表5篇，以第一或通訊作者在IF>10的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文37篇，被引次數(shù)超過(guò)3 000次。獲得2017年北京市科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng) (第一完成人)、國(guó)際醫(yī)學(xué)與生物工程聯(lián)合會(huì) (IFMBE) 青年科學(xué)家獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)金獎(jiǎng)(排名第一) 和生物醫(yī)學(xué)工程大會(huì)青年論文競(jìng)賽一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任(影響因子15.621)、等期刊的Guest Editor-in-Chief，以及期刊的編委。

樊瑜波 教授，博士生導(dǎo)師。我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療器械、康復(fù)輔具領(lǐng)域領(lǐng)軍人物。國(guó)家杰出青年基金獲得者(2009)，國(guó)家首批“萬(wàn)人計(jì)劃”入選專家，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授(2012)，科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人(2014)，北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心主任、北京航空航天大學(xué)醫(yī)工交叉創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)、民政部國(guó)家康復(fù)輔具研究中心主任 (2015至今)，曾任中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng) (2008–2015)、世界華人生物工程聯(lián)合會(huì) (WACBE) 主席。擔(dān)任、、、、、等SCI期刊編委，主編，《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》和《醫(yī)用生物力學(xué)》雜志副主編。發(fā)表SCI論文近300篇 (H指數(shù)44)，發(fā)明專利90余件，以第一完成人獲教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、黃家駟生物醫(yī)學(xué)工程一等獎(jiǎng)。

自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)器件的研究進(jìn)展

李虎1，趙璐明2，李喆2，倪凡3，劉卓1，劉儒平3，樊瑜波1，李舟2

1 北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100083 2 中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083 3 北京印刷學(xué)院 印刷與包裝工程學(xué)院，北京 102600

納米發(fā)電機(jī) (摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)) 技術(shù)自被提出以來(lái)得到了迅速發(fā)展，該技術(shù)可將人體動(dòng)能、風(fēng)能、聲波能、海洋能等各種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并應(yīng)用于自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)，如脈搏傳感、神經(jīng)電刺激、心臟起搏等。文中綜述了納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、輸出性能及其在循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、生物組織、睡眠及水下救援等方面的最新研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了納米發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用到臨床治療所面臨的挑戰(zhàn)。未來(lái)納米發(fā)電機(jī)有望成為輔助電源，甚至取代傳統(tǒng)電池類電源用于驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子器件，實(shí)現(xiàn)人體自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)。

自驅(qū)動(dòng)，健康監(jiān)測(cè)，生理功能調(diào)節(jié)，納米發(fā)電機(jī)

植入式醫(yī)療器件(Implantable medical devices, IMDs) 在過(guò)去幾十年取得了巨大進(jìn)步，在提高患者生活質(zhì)量、延長(zhǎng)患者壽命方面起著舉足輕重的作用。IMDs可被植入到人體的不同部位對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療，常見(jiàn)的IMDs包括胃刺激器、心臟起搏器、心臟除顫器、人工耳蝸及深腦刺激器[1-2]。這類IMDs可用于胃、心臟、腦及其他重要器官相關(guān)的疾病診斷 (如心率、血壓及溫度監(jiān)測(cè)) 及輔助治療 (如肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的刺激)。例如，心臟起搏器可通過(guò)電刺激病人心肌糾正心律失常，減輕心臟堵塞或病竇綜合征[3-4]。此外，IMDs對(duì)人體生理過(guò)程的認(rèn)知也具有重要意義，包括復(fù)雜的神經(jīng)通訊、記憶及控制機(jī)理，這些過(guò)程會(huì)加深人們對(duì)不同疾病及治療過(guò)程的理解[5-6]。

雖然IMDs制備工藝及應(yīng)用場(chǎng)景近年來(lái)不斷獲得進(jìn)步，但是當(dāng)前IMDs的應(yīng)用依然面臨著諸多挑戰(zhàn)[7-8]。IMDs需要更加小型化和輕量化，以減小其對(duì)人體日常活動(dòng)的影響，增加用戶舒適度。IMDs中的電池占據(jù)了自身的主要重量和尺寸，但是由于當(dāng)前的技術(shù)限制，電池很難做到小型化及輕量化。除此之外，電池壽命也是一個(gè)需要克服的挑戰(zhàn)，因?yàn)閺某鰪S時(shí)電池壽命就已固定 (例如深腦刺激電池壽命為3–5年)。當(dāng)電池產(chǎn)生電脈沖進(jìn)行深腦刺激和心臟起搏時(shí)，電池使用完畢后需要進(jìn)行二次手術(shù)將其取出，這意味著病人需要再次花費(fèi)高額費(fèi)用，經(jīng)歷身心病痛，并占用社會(huì)醫(yī)療資源[9]。

近幾年科學(xué)家提出將人體動(dòng)能及生理環(huán)境中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，用于驅(qū)動(dòng)植入式醫(yī)療電子器件，無(wú)需外部電源就能實(shí)現(xiàn)器件正常運(yùn)行。納米發(fā)電機(jī)的提出為上述問(wèn)題提供了解決方案，在過(guò)去十年，納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的發(fā)展取得了巨大進(jìn)步。研究人員開(kāi)發(fā)了各種結(jié)構(gòu)及性能的納米發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并成功應(yīng)用于各種生活場(chǎng)景[10-13]。

隨著越來(lái)越多可植入可穿戴電子器件被用于人體，基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)電子器件越來(lái)越展示出其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于動(dòng)物體內(nèi)和體外環(huán)境存在很大差異，因此將納米發(fā)電機(jī)用到人體或動(dòng)物體內(nèi)，需要考慮很多因素。首先，要保證納米發(fā)電機(jī)材料和電路具有良好的生物相容性[14]；其次，納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要適應(yīng)動(dòng)物體內(nèi)狹窄無(wú)規(guī)則的空間特點(diǎn)[15]；第三，動(dòng)物體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)幅度很小，納米發(fā)電機(jī)的靈敏度及能量轉(zhuǎn)化效率要求非常高。文中我們首先對(duì)納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述；其次，我們總結(jié)了納米發(fā)電機(jī)在健康監(jiān)測(cè)及生理調(diào)節(jié)方面的主要研究進(jìn)展。未來(lái)納米發(fā)電機(jī)有望成為輔助電源，甚至取代傳統(tǒng)電池類電源用于驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子器件。

1 壓電納米發(fā)電機(jī)

壓電納米發(fā)電機(jī)(Piezoelectric nanogenerator，PENG) 器件結(jié)構(gòu)精細(xì)，一般由壓電材料、柔性基底及外部連接電路組成[16-18]。通過(guò)自身形變將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能，并為外部電子器件供能。

壓電效應(yīng)是一種產(chǎn)生內(nèi)部電勢(shì)的效應(yīng)，在外部壓力作用下產(chǎn)生電偶極矩，材料內(nèi)部產(chǎn)生電勢(shì)差。以纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氧化鋅(Zinc oxide, ZnO) 晶體為例，Zn2+和O2-沿c軸層層排列成正四面體 (圖1A)。在沒(méi)有壓力作用時(shí)，正負(fù)電荷中心位于同一位置。當(dāng)外力施加到四面體的任意一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，由于正負(fù)電荷中心發(fā)生移位形成電偶極子 (圖1B)。晶體中所有的偶極矩單元共同產(chǎn)生一個(gè)壓電場(chǎng)，導(dǎo)致晶體沿張力方向產(chǎn)生電勢(shì)差[19-20]。該電勢(shì)差即為PENG壓電勢(shì) (圖1C)。當(dāng)該晶體外接負(fù)載，晶體內(nèi)部電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)外部電路中的電子移動(dòng)屏蔽一部分壓電勢(shì)，在外部電路中產(chǎn)生電流。因此，當(dāng)施加周期性壓力于晶體時(shí)，該晶體產(chǎn)生周期性壓電勢(shì)，并輸出交流電脈沖 (圖1D)[21]。生物相容性材料選擇、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝是PENG應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域時(shí)應(yīng)主要考慮的因素。

圖1 壓電納米發(fā)電機(jī)工作機(jī)理[19-21]

2 摩擦納米發(fā)電機(jī)

摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric nanogenerator，TENG) 工作原理是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)之間的耦合，當(dāng)不同材料相互接觸時(shí)，由于材料對(duì)電子束縛能力不同，電荷會(huì)從一種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料。電荷種類包括電子、離子或者分子。當(dāng)外部作用力使兩種材料界面發(fā)生分離時(shí)，接觸產(chǎn)生的摩擦電荷產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差驅(qū)使電子在材料背電極之間來(lái)回流動(dòng)，形成交流電輸出，外部機(jī)械能被轉(zhuǎn)化為電能[22]。在該工作原理的基礎(chǔ)上，TENG的工作模式可分為以下4類。

2.1 垂直接觸分離模式

垂直接觸分離模式是TENG首次被提出的工作模式 (圖2A)，兩種介電性質(zhì)不同的摩擦材料面對(duì)面疊加到一起，然后在材料背面通過(guò)磁控濺射等方法沉積一層金屬背電極。當(dāng)兩種材料發(fā)生物理接觸時(shí)，由于材料電子親和勢(shì)不同，在兩種介電材料接觸表面會(huì)帶有等量的相反電荷。當(dāng)撤去外部作用力時(shí)，兩種摩擦材料被中間墊片隔開(kāi)，在垂直方向被分開(kāi)一定距離，原先帶電摩擦界面產(chǎn)生電勢(shì)差，驅(qū)使自由電子在外部電路中流動(dòng)。當(dāng)摩擦材料再次接觸時(shí)，材料間隙消失，摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差消失，電子反方向流回[23]。該工作模式瞬時(shí)功率密度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，封裝方便。

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的4種工作模式[13]

2.2 橫向滑動(dòng)模式

如圖2B所示，橫向滑動(dòng)模式的結(jié)構(gòu)和垂直接觸分離模式類似。當(dāng)摩擦電極性不同的材料表面相互接觸時(shí)，由于摩擦效應(yīng)兩種材料表面產(chǎn)生電性不同的等量電荷。當(dāng)兩種材料沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生位移時(shí)，位移部分的電荷得不到完全補(bǔ)償，導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)摩擦材料周期性地前后滑動(dòng)時(shí)，電子沿頂部及底部電極交替移動(dòng)以屏蔽摩擦電荷產(chǎn)生的電勢(shì)差，當(dāng)外部連接負(fù)載時(shí)，該電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)外部電路電子周期性運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生周期性電流，外部機(jī)械能被轉(zhuǎn)化為電能。與垂直接觸分離模式相比，橫向滑動(dòng)模式電荷轉(zhuǎn)移更充分。此外，研究人員還發(fā)明了其他多種滑動(dòng)模式[23]，例如二維面內(nèi)滑動(dòng)[24]、圓盤面內(nèi)滑動(dòng)及滾筒滑動(dòng)等[25]，這類滑動(dòng)模式被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)傳感。

2.3 單電極模式

上述兩種工作模式包含兩個(gè)背電極，通過(guò)外部負(fù)載相互連接，這一結(jié)構(gòu)限制了其從自由移動(dòng)物體上收集能量。而單電極模式可自由移動(dòng)，獨(dú)立工作，該模式為收集自由移動(dòng)物體的能量提供了有效的解決方案。該模式是由一個(gè)自由移動(dòng)物體和接地電極組成。當(dāng)頂部的物體接近或從底部電極離開(kāi)，局部電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化，該過(guò)程使得電子在大地和底電極之間發(fā)生流動(dòng)以屏蔽電勢(shì)變化 (圖2C)。垂直接觸分離模式、橫向滑移模式以及二者的復(fù)合都可用于單電極工作模式收集外部機(jī)械能[26-27]。

2.4 自由摩擦層模式

自由摩擦層模式是由兩個(gè)帶背電極的介電摩擦層及一個(gè)自由移動(dòng)摩擦層組成 (圖2D)。自由移動(dòng)摩擦層和下部介電摩擦層之間保留有一個(gè)小間隙。假如上部自由移動(dòng)摩擦層進(jìn)行摩擦電預(yù)帶電處理，當(dāng)其接近或離開(kāi)下部摩擦層時(shí)，導(dǎo)致電荷非對(duì)稱分布，該過(guò)程使得電子從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極，以屏蔽不平衡的電勢(shì)分布。背電極之間電子的前后移動(dòng)使得TENG產(chǎn)生交流電。在該工作模式下，摩擦層之間沒(méi)有產(chǎn)生直接的物理接觸，該特點(diǎn)可以延長(zhǎng)TENG的使用壽命，適用于自驅(qū)動(dòng)振動(dòng)傳感[28-29]。

在過(guò)去10年中，壓電納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)從氧化鋅納米線(ZnO)、納米復(fù)合物 (ZnSnO3或BaTiO3) 到聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 薄膜，再到Pb(ZrxTi(1–x))O3(PZT)、(1–x)Pb(Mg1/3Nb2/3) O3–xPbTiO3(PMN-PT) 和NaKNbO3之間不斷演 變[30-34]。這些發(fā)展為高輸出、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、小型化、安全化的PENG鋪平了道路，為自驅(qū)動(dòng)醫(yī)療器件在生物體內(nèi)的應(yīng)用提供了新方案。此外，TENG也具有自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如輸出電壓高、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單等。任何兩種電子親和勢(shì)不同的材料都可用于制備TENG。從這一方面講，TENG在輸出性能、生物相容性、靈敏度及器件成本方面更具優(yōu)勢(shì)[35-38]。最近，研究人員發(fā)明了生物可降解的TENG及復(fù)合TENG用于機(jī)械能及熱能的收 集[39-40]。隨著研究的不斷深入，TENG和PENG還將為自驅(qū)動(dòng)生物醫(yī)療系統(tǒng)提供更多新選擇。

3 納米發(fā)電機(jī)在循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

循環(huán)系統(tǒng)是分布于全身各部的連續(xù)封閉管道系統(tǒng)，包括心血管系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)。心血管系統(tǒng)是由心臟、血管及血液組成。心臟將富氧血運(yùn)送給動(dòng)物體各個(gè)部位，乏氧血運(yùn)輸?shù)椒尾?。心臟包含4個(gè)腔室：左心房、左心室、右心房及右心室。乏氧血返回到右心房，通過(guò)右心室，壓入肺動(dòng)脈到達(dá)肺部再次與氧結(jié)合，去除二氧化碳。然后新的富氧血從肺部壓入左心房，通過(guò)左心室，壓入主動(dòng)脈到達(dá)身體不同器官。心房心室及血管之間的周期循環(huán)供血使得血液循環(huán)及肺循環(huán)不斷進(jìn)行，該過(guò)程對(duì)維持人體生命非常重要。心血管系統(tǒng)可作為納米發(fā)電機(jī)的能量源，也可作為納米發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)對(duì)象。因此，心血管系統(tǒng)是納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景中研究最多的系統(tǒng)。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了利用納米發(fā)電機(jī)收集循環(huán)系統(tǒng)中生物機(jī)械能的可行性，例如心跳、肌肉拉伸及主動(dòng)脈收縮等，收集的能量可用于驅(qū)動(dòng)植入式及穿戴式醫(yī)療器件。

3.1 自驅(qū)動(dòng)心臟起搏

心臟起搏器利用電脈沖刺激心肌，調(diào)節(jié)心跳為病竇綜合征及心肌梗塞病人提供了有效治療方案。心率失?？蓪?dǎo)致暈厥、心絞痛、頭暈、甚至心力衰竭等癥狀，在臨床上使用心臟起搏器，可有效控制心律失常[41]。但是由于心臟起搏器電池壽命限制，7–10年后病人需要接受二次手術(shù)將其取出更換新的心臟起搏器[42]。該過(guò)程給病人帶來(lái)很多不便，包括手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、愈合時(shí)間及感染風(fēng)險(xiǎn)等。自驅(qū)動(dòng)能量供給技術(shù)可將生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并應(yīng)用于生理功能調(diào)節(jié)，該技術(shù)無(wú)需電池，大大延長(zhǎng)了植入式醫(yī)療器件的工作時(shí)間，為上述問(wèn)題提供了解決方案。

PENG和TENG二者均可將心跳機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并用于心臟起搏，二者各有其自身優(yōu)勢(shì)，又有各自缺點(diǎn)。PENG可以經(jīng)受長(zhǎng)期的彎折，但是輸出較低。TENG具有相對(duì)較高的輸出電壓，但是TENG需要封裝以保護(hù)其在水中或液體中摩擦層的正常工作，這一步驟降低了TENG的能量輸出及使用靈活性。以下兩部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2010年Li等首次將基于氧化鋅(ZnO) 納米線的PENG植入到活體動(dòng)物體內(nèi)收集生物機(jī)械能 (圖3A)[43]。實(shí)驗(yàn)使用的ZnO納米線直徑為100–800 nm，長(zhǎng)度為100–500 μm。納米線兩端用銀漿固定在聚酰亞胺基底表面，并與兩根導(dǎo)線連接，由此制備的器件一端為肖特基接觸，另一端為歐姆接觸。整體器件使用柔性高分子封裝與周圍組織液隔離，提高器件整體強(qiáng)度。將該P(yáng)ENG植入到大鼠體內(nèi)，貼于隔膜腹側(cè)。大鼠呼吸引起ZnO納米線彎曲，將呼吸機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。PENG開(kāi)路電壓、短路電流及峰值功率分別達(dá)到了3 mV、30 pA和0.09 pW。

2014年Hwang等利用單晶0.72 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.28PbTiO3(PMN-PT)薄膜制備了一種柔性PENG (圖3B)[44]。PMN-PT (Lead zirconate titanate) 通過(guò)改進(jìn)布里奇曼方法直接從熔融物中生長(zhǎng)而得，通過(guò)施加1 h 1.8 kV/mm的強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行極化。在PMN-PT兩側(cè)濺射金，形成金屬-絕緣體-金屬(Metal-insulator-metal, MIM) 結(jié)構(gòu)，器件總厚度為8.6 μm。將MIM PMN-PT轉(zhuǎn)移至聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET) 基底上，器件有效面積1.7 cm×1.7 cm，在周期性彎曲釋放過(guò)程中，器件最大輸出電壓、電流及峰值功率分別為8.2 V、145 μA和1.19 mW。整流后的最大輸出分別為8 V和100 μA，該輸出可為3 V和100 μA的心臟起搏器供能[45]。整流后的輸出可直接用于刺激麻醉狀態(tài)下的大鼠心跳。當(dāng)該P(yáng)MN-PT PENG周期彎曲釋放時(shí)，可觀察到除自然心跳曲線以外的峰值。Dagdeviren等利用鋯鈦酸鉛壓電材料(PZT) 也制備了一種壓電納米發(fā)電機(jī)[46]。該P(yáng)ZT能量收集器件具有很好的適形性，能夠很好地貼附于心臟、肺及隔膜，并將這些器官收縮和舒張的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2014年Zheng等制備了一種可植入的TENG，并將其首次應(yīng)用于活體動(dòng)物中收集生物機(jī)械能 (圖3C)[47]。將PDMS (Polydimethylsiloxane)膜貼附在Kapton基底表面，厚度為100 μm，表面帶有金字塔陣列結(jié)構(gòu)，作為其中一個(gè)摩擦層。金電極沉積在Kapton膜的另一面，作為背電極。PDMS膜及Kapton膜非常柔軟，當(dāng)有微弱的呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，這些膜很容易發(fā)生變形。表面帶有微結(jié)構(gòu)的鋁箔既作為摩擦層又作為電極層。這兩個(gè)摩擦層由400 μm厚度的PET墊片隔開(kāi)，再由50 μm厚度的PDMS封裝。TENG的工作面積為0.8 cm×0.8 cm，整體尺寸1.2 cm×1.2 cm×0.2 cm。輸出電壓電流分別為12 V和0.25 μA，輸出功率為3 μW。將TENG植入到大鼠左胸皮下，大鼠的吸氣和呼氣使得Kapton膜和鋁箔產(chǎn)生周期性的接觸和分離，進(jìn)而使得TENG產(chǎn)生電輸出。動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的電壓、電流及輸出功率分別為3.73 V、0.14 μA和0.52 μW (圖3C)。電壓電流波峰頻率和大鼠呼吸頻率一致，大約每分鐘50次。TENG產(chǎn)生的電能被儲(chǔ)存在一個(gè)電容器中，然后被用于心臟起搏器調(diào)節(jié)心臟跳動(dòng)速率。在不同的工作頻率 (2 Hz、3 Hz及5 Hz)下，心跳速率被成功調(diào)節(jié)至和心臟起搏器頻率一致。

圖3 基于壓電及摩擦電的自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器[43-44,47-48]

2019年Ouyang等受生物共生現(xiàn)象的啟發(fā) (例如根瘤菌與植物間的共生)，他們提出了基于植入式摩擦電納米發(fā)電機(jī)(Implantable TENG，iTENG) 的共生型心臟起搏器(Symbiotic pacemaker，SPM) (圖3D)[48]。SPM可將心跳的能量收集起來(lái)驅(qū)動(dòng)起搏電路發(fā)出脈沖；這些脈沖同時(shí)又刺激心臟，使出現(xiàn)異常的心臟恢復(fù)正常。這樣SPM與心臟之間就達(dá)到了“相互依存、相互受益”的“共生”狀態(tài)。目前SPM已成功在大型動(dòng)物 (豬) 體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“全植入”的自驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，并成功進(jìn)行了心律不齊的治療。采用電暈放電極化技術(shù)處理PTFE (Polytetrafluoroethylene) 摩擦層表面，iTENG結(jié)構(gòu)采用記憶合金龍骨和三維海綿間隔層有效地提升了發(fā)電機(jī)性能。體內(nèi)開(kāi)路電壓、短路電流及輸出功率分別為65.2 V、0.5 μA和32.6 μW，創(chuàng)造了植入式能量采集器件的最高電壓輸出記錄。每一個(gè)心臟運(yùn)動(dòng)周期，SPM可獲得的能量高達(dá)0.495 μJ，高于心臟起搏閾值能量 (通常為0.377 μJ)。也就是說(shuō)，SPM可實(shí)現(xiàn)“一次心跳，一次起搏”，這對(duì)自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器邁向臨床和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。同時(shí)，SPM的實(shí)現(xiàn)也為新型自驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子設(shè)備提供了一條嶄新的演化途徑。

3.2 自驅(qū)動(dòng)心血管監(jiān)測(cè)

納米發(fā)電機(jī)可以作為心臟起搏器調(diào)節(jié)心跳速率，而且可以用作心血管傳感器檢測(cè)血液流動(dòng)及壓力。這類納米發(fā)電機(jī)被植入到心臟內(nèi)直接監(jiān)測(cè)心跳情況，無(wú)需其他能源供給。植入式心血管傳感器可以監(jiān)測(cè)多種心律不齊相關(guān)的病癥，并及時(shí)給出反饋[49]。與穿戴式生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，植入式傳感系統(tǒng)可以帶來(lái)更高精度的監(jiān)測(cè)，避免病人局部移動(dòng)及戶外活動(dòng)帶來(lái)的不便[49]。

2016年Zheng等設(shè)計(jì)了一款植入式TENG作為心臟傳感器，輸出性能高及穩(wěn)定性好[50]。該TENG由內(nèi)摩擦層及封裝層組成 (圖4A)。納米結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯(n-PTFE) 薄膜作為摩擦層，Kapton膜及帶有銅背電極的柔性基底作為另一個(gè)電極。鋁箔既作為摩擦層又作為電極層。高彈性鈦片作為龍骨結(jié)構(gòu)，有效保證了n-PTFE膜與Al膜的接觸和分離。PDMS和聚對(duì)二甲苯分別用作封裝層增加TENG的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免體液及組織帶來(lái)的侵蝕。TENG封裝前，開(kāi)路電壓約90 V，短路電流約7.5 μA。最大功率密度為107 mW/m2。植入式TENG被植入到30 kg成年雄性約克郡豬的心臟和心包之間。當(dāng)Kapton面被放置到左心室下壁位置，體內(nèi)開(kāi)路電壓及短路電流分別為14 V和5 μA，輸出功率為 70 μW，該處值是所有測(cè)試位置中輸出最高的位置，其他測(cè)試位置包括右心室的流出道、左心耳、心臟底部、左心室游離壁、左心室下壁。電壓輸出的波峰和心電圖(Electrocardiographs，ECGs)中的對(duì)應(yīng)波高度同步，相關(guān)性2= 0.983。TENG輸出信號(hào)強(qiáng)度和心跳強(qiáng)度密切相關(guān)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)腎上腺素藥物注射對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。將TENG收集的能量整流后儲(chǔ)存在電容器中驅(qū)動(dòng)無(wú)線發(fā)射器，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)移到接收端。利用該方法，實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建出無(wú)線傳輸心臟傳感器。整個(gè)系統(tǒng)在關(guān)閉胸腔72 h后依然可以很好地工作，2周后結(jié)構(gòu)依然完整，且生物相容性良好。

圖4 基于壓電及摩擦電的自驅(qū)動(dòng)心血管傳感器[50-53]

2016年Ma等采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的納米發(fā)電機(jī)，開(kāi)發(fā)了自驅(qū)動(dòng)多功能摩擦電有源傳感器(Implantable triboelectric active sensor，iTEAS) 并獲得了心臟及血管的特定信息 (圖4B)[51]。該iTEAS被放置到成年豬的心外膜和心包之間，通過(guò)縫合線固定在心包膜上。iTEAS總尺寸30 mm× 20 mm×1 mm，開(kāi)路電壓約為10 V，短路電流約為4 μA，輸出功率約40 μW。這些電信號(hào)和心跳速率高度一致，精確度達(dá)到了99%。此外，iTEAS輸出信號(hào)和呼吸頻率高度相關(guān)。吸氣(2.9 s) 時(shí)電壓峰值從4.8 V增加至6.3 V，呼氣(2.0 s) 時(shí)電壓減小至3.8 V。兩個(gè)連續(xù)最高峰值的時(shí)間間隔為4.9 s，和人工呼吸機(jī)每分鐘12個(gè)循環(huán)高度一致。植入兩周后，將該成年豬麻醉進(jìn)一步檢測(cè)器件性能。iTEAS器件結(jié)構(gòu)完整，沒(méi)有任何腐蝕和破裂出現(xiàn)。H&E (Hematoxylin and eosin) 染色結(jié)果證實(shí)實(shí)驗(yàn)組心肌組織和對(duì)照組組織相比沒(méi)有發(fā)現(xiàn)淋巴球滲透現(xiàn)象。這些結(jié)果證實(shí)納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)心臟傳感方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2017年Kim等使用包含0.5 mol%錳(Mn) 的0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.6Pb(Zr,Ti)O3單晶參雜(PMN-PZT-Mn) PENG作為自驅(qū)動(dòng)心臟傳感器 (圖4C)[52]。開(kāi)胸手術(shù)后，將該P(yáng)ENG器件手術(shù)縫合到成年豬的心外膜上。器件彎曲剛度為9.95×10–5Nm，該剛度值比醫(yī)用心肌補(bǔ)片剛度(2.52×10–3Nm)??；因此，PENG不會(huì)影響到心臟的正常生理活動(dòng)。成年豬心臟收縮和舒張可使PNEG產(chǎn)生17.8 V的開(kāi)路電壓，1.75 μA的短路電流，輸出功率為31.15 μW (圖5C)。開(kāi)路電壓、短路電流和各個(gè)心跳頻率下的ECG的峰值對(duì)應(yīng)。在100 000次彎曲實(shí)驗(yàn)中，PENG輸出信號(hào)穩(wěn)定沒(méi)有衰減。使用HEK293、H9C2及HL-1進(jìn)行細(xì)胞存活率分析及周圍組織切片分析都表明器件具有良好的生物相容性。

2019年，Liu等利用TENG制備了一種小型化，柔性及自驅(qū)動(dòng)的心內(nèi)膜壓力傳感(Self-powered endocardial pressure sensor，SEPS)，該SEPS和外科導(dǎo)管結(jié)合用于微創(chuàng)植入 (圖4D)[53]。SEPS整體尺寸為1 cm×1.5 cm×0.1 cm。該器件電暈處理前開(kāi)路電壓為1.2 V，電暈放電處理后電壓提升至6.2 V，電壓輸出提高了約5倍。SEPS被植入到成年豬的左心室和左心房，低壓和高壓環(huán)境下器件均有較好的響應(yīng)性。在體內(nèi)工作時(shí)，SEPS具有高靈敏度、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、機(jī)械穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。器件靈敏度達(dá)到了1.195 mV mm/Hg，線性度2= 0.997。此外SEPS還可以檢測(cè)心律不齊，如心室顫動(dòng)和心室過(guò)早搏動(dòng)。

3.3 自驅(qū)動(dòng)脈搏傳感

實(shí)時(shí)生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行交互式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以進(jìn)行自動(dòng)診斷，該技術(shù)為人們的日常生活帶來(lái)了極大便利。植入式器件在體內(nèi)信號(hào)傳輸方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，如果穿戴式器件在靈敏度和精確度方面可以達(dá)到同植入式器件相同的效果，那么無(wú)需手術(shù)的穿戴式器件將更加受病人的歡迎。自驅(qū)動(dòng)可穿戴脈搏傳感為這一問(wèn)題提供了有效解決方案，無(wú)需電池，低能源損耗，無(wú)環(huán)境污染，器件小型化，信號(hào)保真度高。由于心臟與主動(dòng)脈關(guān)系密切，因此自驅(qū)動(dòng)脈搏傳感器可用于循環(huán)系統(tǒng)的有效檢測(cè)。

2017年Ouyang等制備了一種基于TENG的自驅(qū)動(dòng)超靈敏脈搏傳感(Self-powered ultrasensitivepulse sensor，SUPS)，該器件同時(shí)具有高柔性及高輸出的特點(diǎn) (圖5A)[54]。納米結(jié)構(gòu)Kapton及銅薄膜作為兩個(gè)摩擦層。利用PDMS封裝后，整個(gè)器件柔軟輕薄，尺寸大小為20 mm×10 mm×0.1 mm。在線性馬達(dá)50 N垂直壓力作用下，SUPS輸出電壓、電流、電荷量分別為109 V、2.73 μA及7.6 nC，輸出功率約為0.3 mW。當(dāng)將器件貼附在24歲男士的徑向動(dòng)脈上，SUPS輸出性能分別為1.52 V、5.4 nA及1.08 nC，輸出功率為8.2 nW。SUPS波峰電壓輸出和ECG中對(duì)應(yīng)波一致，一致性2= 0.981，比其他臨床采用的脈搏傳感器更高一些，比如壓電脈搏傳感器和光電脈搏傳感。同時(shí)，研究者將SUPS應(yīng)用于心血管疾病的診斷，包括健康組、冠心病組、房顫組及房間隔缺損組。健康組和不健康組的差異非常明顯。將時(shí)間間隔P-Pn及P-Pn+1以龐加萊圖表示，每一組都有其特定的波形。健康組呈現(xiàn)彗星狀圖形。冠心病組有一些分散彗星狀圖形，房間隔缺損組呈現(xiàn)出橢圓形，分布均勻。房顫組散點(diǎn)分布區(qū)域較大。健康組和病人組之間的龐加萊圖明顯不同，這表明SUPS可作為心血管疾病診斷的有效工具 (圖5B)[54]。

Park等在2017年使用PZT制備了一種超薄適形壓電傳感器 (圖5C)[55]。將高質(zhì)量的PZT薄膜涂覆在藍(lán)寶石襯底上并進(jìn)行退火處理，然后將PZT薄膜被剝離轉(zhuǎn)移到超薄PET基底上(4.8 μm)。然后在PZT薄膜表面制備金交叉指型電極，該器件非常薄，可以漂浮在肥皂泡上。將該壓電傳感器通過(guò)繃帶共形貼附在人手腕上，實(shí)時(shí)脈搏信號(hào)并通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳輸給智能手機(jī)進(jìn)行脈搏監(jiān)測(cè)。該脈搏傳感器應(yīng)用在一位30歲的男子身上，監(jiān)測(cè)頸動(dòng)脈產(chǎn)生的開(kāi)路電壓為400 mV，吞咽動(dòng)作產(chǎn)生的電壓為100 mV。頸動(dòng)脈測(cè)量得的輸出電壓約為橈動(dòng)脈電壓的6倍。運(yùn)動(dòng)前橈動(dòng)脈每分鐘跳動(dòng)73次，橈動(dòng)脈脈搏產(chǎn)生的平均開(kāi)路電壓約為65 mV，運(yùn)動(dòng)后橈動(dòng)脈每分鐘跳動(dòng)次數(shù)為100次，橈動(dòng)脈脈搏產(chǎn)生的平均開(kāi)路電壓約為81.5 mV。每一個(gè)電壓信號(hào)中，都有兩個(gè)峰值信號(hào)出現(xiàn)，P1和P2，P1代表脈壓，P2代表后期心臟收縮增強(qiáng)壓，徑向橈動(dòng)脈增強(qiáng)指數(shù)可定義為P2/P1，該指標(biāo)和動(dòng)脈硬化關(guān)系密切。運(yùn)動(dòng)前，傳感器給出的P2/P1值為0.54，運(yùn)動(dòng)后平均P2/P1值為0.22。這表明后期心收縮增強(qiáng)壓降低，該變化可能是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)后心率發(fā)生了變化，增加了心室血液排出。

圖5 基于壓電及摩擦電的自驅(qū)動(dòng)脈搏傳感器[54-55]

4 自驅(qū)動(dòng)生理功能調(diào)節(jié)

4.1 自驅(qū)動(dòng)神經(jīng)電刺激

深腦刺激(Deep brain stimulation，DBS) 是指神經(jīng)外科中使用電脈沖刺激特定的腦區(qū)域，達(dá)到特定治療目的[56]。研究證實(shí)深腦刺激可以緩解各種神經(jīng)及精神疾病，包括癲癇、帕金森疾病、原發(fā)性震顫及重度抑郁[57-58]。植入式深腦刺激器需要高功率，電壓在3?5 V之間，130 Hz，脈沖時(shí)長(zhǎng)60 ms，是心臟起搏器 (2 V，1 Hz，脈沖時(shí)長(zhǎng)400 ms) 的幾倍。為完成DBS的自驅(qū)動(dòng)刺激，納米發(fā)電機(jī)需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及植入手術(shù)等方面不斷改進(jìn)。

2015年，Kim及其合作者在PET基底上制備了一種柔性單晶Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3) O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT:PIMNT) 膜，并嘗試將其用于深腦刺激[59]。PIMNT非常薄，厚度只有10 μm，PET基底厚度為125 μm，二者一起組成了超薄器件 (圖6A)。在機(jī)械力彎曲作用下，器件最大開(kāi)路電壓為11 V，短路電流為283 μA，輸出功率為3.11 mW，該輸出值可以給電容器充電并點(diǎn)亮120盞LED。在手指彎曲作用下，PIMNT納米發(fā)電機(jī)最大電流為0.57 mA，功率為0.7 mW。將PIMNT腦刺激器用于激活活體老鼠大腦初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，刺激電極放置到老鼠M1皮質(zhì)部位。PIMNT納米發(fā)電機(jī)的每一次彎曲都導(dǎo)致前肢肌肉的收縮，右爪前移1.5?2.3 mm距離。該工作是通過(guò)納米發(fā)電機(jī)利用身體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直接深腦刺激的重要一步。

體內(nèi)迷走神經(jīng)在調(diào)節(jié)食物攝入量用于肥胖治療方面具有意義。2018年，Yao等利用植入式TENG對(duì)迷走神經(jīng)進(jìn)行刺激(Vagus nerve stimulation，VNS)，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)胃部運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而有效控制大鼠體重 (圖6B)[60]。該VNS器件貼附在胃部表面，尺寸大小為1.2 cm×3 cm，從胃部蠕動(dòng)收集生物機(jī)械能，通過(guò)TENG摩擦層 (聚四氟乙烯和金)的接觸與分離產(chǎn)生電脈沖，最大輸出功率40 μW。胃食管結(jié)邊緣雙向VNS由金導(dǎo)線包覆，銅導(dǎo)線和金電極連接用于傳遞電信號(hào)。器件通過(guò)PDMS和共聚酯封裝，以實(shí)現(xiàn)良好的生物相容性、機(jī)械穩(wěn)定性及柔性。0.05 Hz頻率下連續(xù)胃蠕動(dòng)，VNS器件的輸出電壓可以達(dá)到60 mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組老鼠平均體重被控制在350 g，比對(duì)照組少38%。該工作為肥胖癥提供了治療方案。

外周神經(jīng)調(diào)節(jié)是用于神經(jīng)康復(fù)及生物電子醫(yī)學(xué)的新興領(lǐng)域。2018年Lee等利用水-空氣復(fù)合摩擦納米發(fā)電機(jī)(Water-air TENG，WA-TENG)進(jìn)行外周神經(jīng)刺激，該刺激可以控制老鼠腿部肌肉的運(yùn)動(dòng) (圖6C)[61]。該TENG具有層狀結(jié)構(gòu)，包括厚PDMS封裝層、氧化銦錫(Indium tin oxide，ITO) 及聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET) 陣列、墊片1、薄PDMS層、墊片2、海綿陣列、ITO/PET陣列、底部厚PDMS膜。懸空介電薄膜可以明顯提高TENG輸出，從幾個(gè)毫伏到幾十伏，TENG最大輸出功率2.93 μW。利用海綿結(jié)構(gòu)吸收水分，可以克服傳統(tǒng)水凝膠型TENG的缺點(diǎn)。和水凝膠相比，本實(shí)驗(yàn)中包含海綿結(jié)構(gòu)的器件更加堅(jiān)固，可承受傳統(tǒng)器件的4倍作用力。通過(guò)柔性界面誘導(dǎo)腿部肌肉選擇性激活可以選擇性刺激大鼠坐骨神經(jīng)。

多種神經(jīng)疾病都可引起肌肉功能損失，如脊髓損傷、中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥。肌肉電刺激是臨床上常用的一種方式，用于肌肉功能康復(fù)，該過(guò)程通常需要毫安級(jí)別的刺激電流。2019年Wang等將柔性多通道肌肉內(nèi)電極和TENG結(jié)合實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)肌肉直接電刺激 (圖6D)[62]，該TENG具有層層堆疊結(jié)構(gòu)，PTFE和鋁箔作為摩擦層，TENG開(kāi)路電壓為47 V，短路電流35 μA，外部負(fù)載 2.8 mΩ時(shí)TENG輸出功率為1.65 mW。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TENG肌肉刺激效率主要受兩個(gè)因素影響，一是電極神經(jīng)元位置，二是電刺激波形極性。當(dāng)電極靠近運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元分布區(qū)域時(shí)，刺激效率提高。同時(shí)，當(dāng)電刺激波形極性改變時(shí)，刺激效率也不一樣。

圖6 基于壓電及摩擦電的自驅(qū)動(dòng)神經(jīng)電刺激[59-62]

4.2 自驅(qū)動(dòng)細(xì)胞電刺激

當(dāng)骨受傷以后，如何加速骨修復(fù)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[63]，研究結(jié)果證明低功率激光修復(fù)對(duì)損傷后的骨愈合具有積極意義，因?yàn)榧す饽芰繉?duì)應(yīng)線粒體中呼吸鏈的特征能量和吸收能量[64]。該方法需要一種植入式的激光修復(fù)系統(tǒng)，基于TENG的自驅(qū)動(dòng)植入式電源整合系統(tǒng)為該問(wèn)題提供了解決方案。

2015年，Tang等開(kāi)發(fā)了一種基于TENG和紅外激光激發(fā)單元的自驅(qū)動(dòng)激光治愈系統(tǒng)用于骨組織再生[65]。該系統(tǒng)可以明顯加速老鼠胚胎成骨細(xì)胞的增殖與分化。金字塔陣列狀的PDMS及氧化銦錫(ITO) 薄膜作為TENG摩擦層 (圖7A)，該TENG輸出短路電流為30 μA，開(kāi)路電壓115 V，輸出功率為3.45 mW，每個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)移電荷量70 nC。MC-3T3成骨細(xì)胞被分為3組：無(wú)激光對(duì)照組、TENG激光照射組 (每天刺激100次)、電池激光照射組 (每天1 min)。激光照射組細(xì)胞增殖15%。5 d后，TENG激光照射組的分化水平比對(duì)照組多16%，電池激光照射組比對(duì)照組多21.7%。這些結(jié)果表明TENG在骨修復(fù)方面具有和電池等效的增強(qiáng)效應(yīng)，TENG有很大潛力作為植入式醫(yī)療器件的電源用于臨床骨組織修復(fù)治療。

2016年Zheng等利用人工合成可降解材料聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)、共聚物(Poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)、聚己內(nèi)酯(Polycaprolactone，PCL)和聚羥基丁酸戊酯(Polyhydroxylbutyrate valerate，PHBV) 開(kāi)發(fā)了生物可降解TENG (圖7B)，該TENG采用層層結(jié)構(gòu)，垂直接觸分離模式，PLGA作為封裝層，金屬鎂作為背電極，摩擦層為上述4種可降解材料中任意兩種的組合[66]。當(dāng)用線性馬達(dá)1 Hz刺激TENG時(shí)，器件開(kāi)路電壓達(dá)到了40 V，短路電流1 μA，輸出功率為40 μW，負(fù)載電阻80 MΩ時(shí)功率密度可達(dá)32.6 mW/m2。將TENG整流后與PDMS封裝的交叉指狀電極連接，然后在電極表面接種神經(jīng)元細(xì)胞，兩個(gè)電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度為10 V/cm，實(shí)際PDMS表面處電場(chǎng)強(qiáng)度約為7.5 V/cm。24 h細(xì)胞培養(yǎng)后，每天1 Hz頻率刺激30 min。培養(yǎng)5 d后細(xì)胞核及細(xì)胞骨架通過(guò)激光掃描共聚焦顯微技術(shù)染色觀察。大多數(shù)電場(chǎng)刺激后的神經(jīng)元細(xì)胞都發(fā)生了定向排列，細(xì)胞骨架明顯平行于電場(chǎng)方向，對(duì)照組細(xì)胞排列及細(xì)胞骨架沒(méi)有發(fā)生明顯取向。神經(jīng)細(xì)胞的定向排列對(duì)神經(jīng)修復(fù)具有重要意義。

2018年Jiang等利用5種天然可降解材料 (纖維素、絲素蛋白、甲殼素、米紙、蛋清) 開(kāi)發(fā)了基于天然材料的多種生物可降解可吸收TENG (圖7C)[67]，該TENG采用層層結(jié)構(gòu)，垂直接觸分離模式，使用絲素蛋白進(jìn)行了封裝，金屬鎂作為背電極，其余天然材料中的任意兩種進(jìn)行組合作為摩擦層，最高輸出開(kāi)路電壓55 V，短路電流0.6 μA，輸出功率為33 μW，功率密度21.6 mW/m2。將該TENG整流后與交叉插指電極連接，電極采用PDMS封裝，表面電場(chǎng)強(qiáng)度為8 V/cm，然后在PDMS表面接種心肌細(xì)胞，培養(yǎng)48 h后，對(duì)細(xì)胞施加電場(chǎng)刺激，頻率1 Hz，連續(xù)刺激30 min，經(jīng)此電場(chǎng)刺激后，心肌細(xì)胞簇跳動(dòng)速率明顯加快，刺激前后跳動(dòng)速率增加了8.8倍，跳動(dòng)狀態(tài)更加有力。兩個(gè)細(xì)胞跳動(dòng)周期由1.382 s縮短至0.606 s，細(xì)胞的收縮周期由0.32 s縮短至0.24 s。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明TENG可用于異常心肌細(xì)胞的調(diào)節(jié)和修復(fù)。為心臟疾病提供了新的治療方案，如心率過(guò)緩和心律不齊，也可用于體內(nèi)心肌組織的重建。

4.3 自驅(qū)動(dòng)組織修復(fù)

傷口愈合是一個(gè)重要的醫(yī)療保健問(wèn)題，電場(chǎng)刺激是已知的可有效促進(jìn)皮膚傷口恢復(fù)的方法，但由于常規(guī)電刺激系統(tǒng)笨拙，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖7 基于摩擦電的自驅(qū)動(dòng)細(xì)胞電刺激[65-67]

2018年，Long等報(bào)道了一種基于TENG的自驅(qū)動(dòng)電子綁帶用于加速皮膚傷口愈合 (圖8A)[68]。該電子綁帶由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、金電極、銅電極及聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET) 組成，TENG采用滑移工作模式，滑動(dòng)速率110次每分鐘時(shí)，最大輸出電壓為2.2 V，最大輸出功率2.25 μW。該TENG自驅(qū)動(dòng)電子繃帶可以穿戴在老鼠身上，將皮膚運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并產(chǎn)生交替電場(chǎng)。大鼠實(shí)驗(yàn)表明，TENG自驅(qū)動(dòng)電子繃帶處理的全層傷口可在3 d愈合，而常規(guī)縫合對(duì)應(yīng)的愈合過(guò)程需要12 d。體外實(shí)驗(yàn)表明，皮膚傷口愈合的加速過(guò)程可歸因于電場(chǎng)促進(jìn)成纖維細(xì)胞遷移、增殖及分化轉(zhuǎn)移。

圖8 基于摩擦電的自驅(qū)動(dòng)組織修復(fù)[68-69]

2018年Li等利用PLGA、PCL、聚乳酸(Polylactic acid，PLA)、金納米棒及聚1,8-辛二醇檸檬酸(poly1,8-octanediol citric acid，POC) 制備了光熱可控降解的TENG (圖8B)[69]。該TENG開(kāi)路電壓可達(dá)28 V，短路電流220 nA，輸出功率為6.16 μW，轉(zhuǎn)移電荷量12 nC。由于金納米棒對(duì)近紅外光反應(yīng)靈敏，將其摻入高分子膜中接受紅外光照射時(shí)，TENG的輸出在24 h內(nèi)減小為0，兩周內(nèi)基本完全降解。將TENG直接連接到交叉指插電極并培養(yǎng)成纖維細(xì)胞時(shí)，TENG電場(chǎng)可明顯加速細(xì)胞向抓痕處遷移，該過(guò)程對(duì)傷口修復(fù)非常關(guān)鍵。此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)TENG交流電場(chǎng)比傳統(tǒng)直流電對(duì)傷口修復(fù)更加有效。

5 自驅(qū)動(dòng)睡眠監(jiān)測(cè)及水下救援

睡眠障礙是很多人遇到的健康問(wèn)題，臨床上常通過(guò)監(jiān)測(cè)病人鼻子呼吸氣流、胸腔呼吸運(yùn)動(dòng)、胳膊及腿部運(yùn)動(dòng)等來(lái)進(jìn)行診斷[70-72]。這些監(jiān)測(cè)設(shè)備一般需要電池或電插座來(lái)維持正常運(yùn)行，靈活性較弱。對(duì)于睡眠呼吸暫停引起的身體運(yùn)動(dòng)，特別是需要大量睡眠的兒童，使用這類設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)比較困難。因此，無(wú)需電源的智能傳感更加符合解決上述問(wèn)題的要求。

2016年，Song等提出了利用納米柱陣列結(jié)構(gòu)的TENG作為自驅(qū)動(dòng)傳感用于睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (圖9A)[73]。該TENG具有三明治狀結(jié)構(gòu)，由折疊狀鋁/ 塑料復(fù)合膜 (聚酰胺、鋁膜及聚丙烯)，2 mm懸臂彈簧組成。TENG開(kāi)路電壓為55 V，短路電流約0.9 μA，輸出功率為49.5 μW，負(fù)載60 MΩ時(shí)最大功率約120 mW/m2。將該自驅(qū)動(dòng)TENG傳感器固定在胳膊或腿上可以監(jiān)測(cè)到睡眠過(guò)程中翻身運(yùn)動(dòng)及蜷縮腿運(yùn)動(dòng)。其中固定在胳膊上時(shí)，翻身動(dòng)作擠壓TENG可產(chǎn)生約40 V電壓。固定在腿部，平躺時(shí)腿部擠壓TENG可產(chǎn)生約30 V電壓。該工作證明了利用TENG實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)傳感，對(duì)人體睡眠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖9 基于摩擦電的自驅(qū)動(dòng)睡眠監(jiān)測(cè)及水下救援[73-75]

2018年，Lin等將TENG陣列放到織物中做成床單，用于高靈敏度智能睡眠監(jiān)測(cè) (圖9B)[74]。該床單由3層組成，頂層由正交陣列組成，底層由純導(dǎo)電纖維陣列組成作為摩擦層，波浪形PET膜夾在兩層導(dǎo)電纖維之間。該TENG陣列智能床單壓力靈敏度為0.77 V/Pa，響應(yīng)時(shí)間小于80 ms，循環(huán)接觸測(cè)試5 000次輸出電壓(3.5 V) 基本不變，循環(huán)接觸10 000次導(dǎo)電纖維表面結(jié)構(gòu)基本不變，輸出功率為52.5 nW。當(dāng)人體躺到該床單上時(shí)，人體姿勢(shì)、位置及壓力分布可以很好地顯示 在圖形用戶界面上。研究者從晚上23:00到第二天早上08:00對(duì)被試者進(jìn)行測(cè)試，該TENG智能傳感床單可以很好地監(jiān)測(cè)人體整晚的睡眠狀態(tài)，包括清醒運(yùn)動(dòng)和深度睡眠。

電鰻可以通過(guò)其獨(dú)特的發(fā)電器官在水下產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的電壓。在發(fā)電細(xì)胞的一個(gè)神經(jīng)沖動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)受到神經(jīng)遞質(zhì)的刺激，細(xì)胞膜上的離子通道開(kāi)啟，鈉離子流入，鉀離子流出，從而產(chǎn)生一個(gè)150 mV的膜電位。2019年，Zou等模仿電鰻發(fā)電器官細(xì)胞膜上的離子通道，構(gòu)造了一種機(jī)械敏感性的仿生通道，用于控制發(fā)電機(jī)內(nèi)部的起電液體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化[75]。兩種獨(dú)特的工作模式使得該仿生可拉伸納米發(fā)電機(jī)(Bionic stretchable nanogenerator，BSNG) 在液體環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)10 V的開(kāi)路電壓，在干燥條件下可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)170 V的開(kāi)路電壓，50 000次單軸拉伸測(cè)試后BSNG的輸出沒(méi)有任何衰減，單電極模式下器件功率為28.8 μW，雙電極模式下器件功率為0.1 μW。研究者還利用該BSNG構(gòu)建了一套水下救援系統(tǒng)，用于在水下危險(xiǎn)特殊情況的遠(yuǎn)程求救警報(bào)。穿戴者只需在水下活動(dòng)一段時(shí)間，固定于關(guān)節(jié)處的BSNG便可收集來(lái)自人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到電容器中，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，只需拍打胸前的報(bào)警觸發(fā)器，便可遠(yuǎn)程點(diǎn)亮救援信號(hào)燈。良好的可拉伸性、優(yōu)秀的水下輸出性能和出色的抗拉疲勞性使BSNG可以作為水下自驅(qū)動(dòng)傳感器和能量采集裝置，為可穿戴電子設(shè)備的水下可持續(xù)供電帶來(lái)了新的機(jī)遇。

6 自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)器件輸出功率對(duì)比及展望

如圖10所示，當(dāng)前關(guān)于自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)器件的應(yīng)用主要包括自驅(qū)動(dòng)心臟起搏、自驅(qū)動(dòng)心血管傳感、自驅(qū)動(dòng)細(xì)胞電刺激、自驅(qū)動(dòng)神經(jīng)電刺激、自驅(qū)動(dòng)組織修復(fù)及自驅(qū)動(dòng)睡眠監(jiān)測(cè)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)自驅(qū)動(dòng)器件的輸出性能 (輸出電壓/電流/功率) 具有不同的要求。自驅(qū)動(dòng)器件類型既有摩擦電器件又有壓電器件，器件功率大小根據(jù)不同的應(yīng)用從微瓦量級(jí)到毫瓦量級(jí)不等。

在自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，自驅(qū)動(dòng)器件輸出功率不斷提升，基于摩擦電的自驅(qū)動(dòng)器件輸出功率從3 μW[47]提升至32.6 μW[48]，工作模式從直接電刺激[47]轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)商用心臟起搏器刺激心臟[48]。與摩擦電器件相比，基于壓電薄膜的自驅(qū)動(dòng)器件輸出功率可達(dá)毫瓦 (1.19 mW)[44]。在自驅(qū)動(dòng)傳感、組織修復(fù)、睡眠監(jiān)測(cè)及水下救援等應(yīng)用中，基于摩擦電及壓電的自驅(qū)動(dòng)器件輸出功率一般在微瓦量級(jí) (0.05?70 μW)[50-52,68-69,73-75]。自驅(qū)動(dòng)器件的輸出功率在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的差異很大，比如可用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和水下救援的摩擦電自驅(qū)動(dòng)傳感器，在水中的輸出功率為0.1 μW，而該器件在空氣中的輸出功率可達(dá)28.5 μW[75]。摩擦電及壓電器件在進(jìn)行細(xì)胞電刺激及神經(jīng)電刺激時(shí)，輸出功率在微瓦[60-61,66-67]及毫瓦[59,62,65]量級(jí)不等。

根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道及結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景，自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的主要應(yīng)用范圍及目標(biāo)可分為以下幾類：1) 當(dāng)摩擦電或壓電器件自身用作自驅(qū)動(dòng)傳感器檢測(cè)生理信號(hào)時(shí)，和器件輸出電流及功率相比，研究者更偏向于采用輸出電壓作為采集信號(hào)[44,47-48,50-52,54,73-75]。此應(yīng)用場(chǎng)景下，小尺寸、便攜式、高靈敏度、高電壓輸出的自驅(qū)動(dòng)器件是未來(lái)研究的重點(diǎn)，此類器件對(duì)于檢測(cè)人體脈搏、心率、呼吸、血流等微弱信號(hào)將發(fā)揮重要作用。2) 當(dāng)把摩擦電或壓電器件直接用作電壓源或電流源時(shí)，研究人員可用它調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)或進(jìn)行神經(jīng)電刺激[66-69]?？紤]到摩擦電器件以及壓電器件的電流一般在微安量級(jí)，因此在上述應(yīng)用場(chǎng)景下的器件需要有較大的電壓，以便產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)控的電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞或神經(jīng)進(jìn)行調(diào)控，此類器件對(duì)未來(lái)傷口殺菌、肥胖控制、神經(jīng)及組織修復(fù)、帕金森等神經(jīng)類疾病以及其他相關(guān)疾病的治療具有重要意義。3) 當(dāng)摩擦電或壓電器件作為電源，給低功耗醫(yī)療電子器件供能時(shí)，器件輸出功率則顯得尤為重要[59-62]?？紤]到摩擦電及壓電器件產(chǎn)生的是脈沖電，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需將電能存儲(chǔ)到電容器或電池中，就可驅(qū)動(dòng)低功耗醫(yī)療電子器件 (如脈搏手環(huán)、心臟起搏器、深腦刺激器等)。因此，對(duì)于用作電源的場(chǎng)景，未來(lái)開(kāi)發(fā)高輸出功率，甚至直流電器件將是未來(lái)研究的重點(diǎn)，該類器件將為解決便攜式、小型化、低功耗、用于診斷或治療的醫(yī)療電子設(shè)備的電源問(wèn)題提供解決方案。

圖10 文獻(xiàn)中自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)器件輸出功率對(duì)比

7 討論與展望

人體及其他動(dòng)物身上蘊(yùn)藏著很多種能量，包括化學(xué)能、熱能及機(jī)械能[76]。研究者提出了各種策略對(duì)不同形式的能量進(jìn)行收集，進(jìn)而構(gòu)建自驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子系統(tǒng)，這類研究對(duì)可穿戴、可植入醫(yī)療器件的發(fā)展具有重要意義。本文主要聚焦納米發(fā)電機(jī)從人體及動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)中收集機(jī)械能，并將其用于自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)和生理功能調(diào)節(jié)。

多種納米發(fā)電機(jī)被用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，包括心血管傳感、脈搏監(jiān)測(cè)、神經(jīng)電刺激、細(xì)胞電刺激、睡眠監(jiān)測(cè)及救援報(bào)警等。除了綜述中提到的應(yīng)用外，納米發(fā)電機(jī)在其他領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如藥物遞送[77]、語(yǔ)音識(shí)別[78]、生物監(jiān)測(cè)[79]。這些自驅(qū)動(dòng)生物醫(yī)療器件將會(huì)對(duì)未來(lái)醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要影響。但是，這些應(yīng)用只是自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)領(lǐng)域的開(kāi)始，為充分合理利用基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)，還需要更多更深入的研究。首先，對(duì)于可植入場(chǎng)景，納米發(fā)電機(jī)應(yīng)更加小型化，以適應(yīng)身體的特定腔室。其次，納米發(fā)電機(jī)需要更加柔軟更加耐用以滿足植入位點(diǎn)的機(jī)械性能及形狀，并耐受肌肉組織的長(zhǎng)期包裹擠壓。此外，納米發(fā)電機(jī)需要更加有效、耐用、柔性的封裝以保護(hù)其免受體液腐蝕。最后，納米發(fā)電機(jī)輸出性能的優(yōu)化及電源管理需要進(jìn)一步增強(qiáng)以符合實(shí)際臨床要求。對(duì)于可穿戴納米發(fā)電機(jī)，小型化、耐用性、封裝及電學(xué)輸出的問(wèn)題也很重要。

隨著材料合成和微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，納米發(fā)電的研究及其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷進(jìn)步。未來(lái)納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)方面的研究重點(diǎn)是和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)結(jié)合。當(dāng)前納米發(fā)電機(jī)的研究和實(shí)際臨床應(yīng)用依然存在較大差距。首先，植入式納米發(fā)電機(jī)作為心血管傳感器可以獨(dú)立工作并實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。但是，植入式納米發(fā)電機(jī)向心血管的植入手術(shù)復(fù)雜，手術(shù)可能會(huì)影響這些器官的正常功能。因此，這類器件的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)會(huì)非常高，這導(dǎo)致基于納米發(fā)電機(jī)的傳感應(yīng)用比較滯后。其次，納米發(fā)電機(jī)收集身體動(dòng)能并將其和能源管理系統(tǒng)整合是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)橹挥刑囟▍?shù)的電學(xué)刺激才能起到器官功能增強(qiáng)及細(xì)胞調(diào)控的作用。第三，研究者進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，將納米發(fā)電機(jī)植入到動(dòng)物體內(nèi)，收集肌肉收縮機(jī)械能，或者線性馬達(dá)刺激納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，或者外部手拍打納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。但是至今依然很難有一種方法能夠在體內(nèi)將能量產(chǎn)生、能量管理、能量輸出及應(yīng)用一體化。筆者認(rèn)為納米發(fā)電機(jī)作為植入式器件最優(yōu)的應(yīng)用方向是收集呼吸機(jī)械能，即呼吸過(guò)程中胸腔的規(guī)律性擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，為心臟起搏器或脊柱損傷修復(fù)提供電能。對(duì)于穿戴式納米發(fā)電機(jī)，脈搏傳感是一種非常合適和有前景的應(yīng)用，也可將其用于某些表皮電刺激治療，例如，傷口愈合或表皮腫瘤消除。

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Progress in self-powered health monitoring and physiological function regulation devices

Hu Li1, Luming Zhao2, Zhe Li2, Fan Ni3, Zhuo Liu1, Ruping Liu3, Yubo Fan1, and Zhou Li2

1 School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China 2 Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences, School of Nanoscience and Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China 3 School of Printing and Packaging Engineering, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China

Nanogenerator (triboelectric nanogenerator and piezoelectric nanogenerator) has experienced a rapid development since it was proposed. This technique can covert various mechanical energies into electric energy, including human motion energy, wind energy, acoustic energy and ocean energy. The converted electricity can be used for health monitoring and physiological function regulation, such as pulse detection, bioelectrical stimulation and cardiac pacing. This review summarizes the structure, working mechanism, output performance of nanogenerator and its latest progress in circulatory system, nervous system, biological tissue, sleep and rescue system. Additionally, a further analysis was also made on the application challenge of nanogenerator in clinical treatment. In the future, nanogenerator is expected to be an auxiliary power source, or even to replace battery to power medical electronic device and realize the self-powered health monitoring and physiological function regulation of human body.

self-powered, health monitoring, physiological function regulation, nanogenerator

June 25, 2019;

September 11, 2019

National Key R&D Project from Minister of Science and Technology, China (No. 2016YFA0202703), National Natural Science Foundation of China (Nos. 61875015, 31571006, 81601629, 61971049, 21801019, 11421202), the Beijing Municipal Science and Technology Commission (No. Z181100004418004), Beijing Natural Science Foundation (No. 2182091), the Research and Development Program of BIGC (No. Ec201808), the National Youth Talent Support Program.

s:Yubo Fan. Tel: +86-10-82339428; E-mail: yubofan@buaa.edu.cnZhou Li. Tel: +86-10-82854761; E-mail: zli@binn.cas.cn

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (No. 2016YFA0202703)，國(guó)家自然科學(xué)基金 (Nos. 61875015, 31571006, 81601629, 61971049, 21801019, 11421202)，北京市科技項(xiàng)目 (No. Z181100004418004)，北京市自然科學(xué)基金 (No. 2182091)，北京印刷學(xué)院研究發(fā)展項(xiàng)目 (No. Ec201808)，國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃“青年拔尖”項(xiàng)目資助。

李虎, 趙璐明, 李喆, 等. 自驅(qū)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)及生理功能調(diào)節(jié)器件的研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2019, 35(12): 2367–2385.

Li H, Zhao LM, Li Z, et al. Progress in self-powered health monitoring and physiological function regulation devices. Chin J Biotech, 2019, 35(12): 2367–2385.

(本文責(zé)編 陳宏宇)