苏大|文震副研究员&西交利物浦|刘伊娜博士AFM超强综述：摩擦纳米发电机在电子医疗领域的最新技术进展

摩擦纳米发电机在电子医疗领域的最新技术进展

第一作者：陈小平1，谢欣凯1

通讯作者：文震*，刘伊娜*

单位：苏州大学，西交利物浦大学

随着人类生产生活的不断发展，人类对自身健康的关注越来越高。然而，人口老龄化趋势加剧所必需的社会福利和医疗保健给社会经济体系带来了沉重的负担。实时的健康监测可以提供人体身体状况的生理信号，如脉搏、心率、呼吸频率、足底压力等，对疾病的预防、诊断和治疗具有重要意义。因此，迫切需要开发高效、经济的健康监测技术，这一直是医护人员和科学家研究的方向。

目前，许多电子设备被发明用于健康监测和治疗，但它们在实际应用中还存在一些问题：一是需要持续的电源来驱动它们；另一个是设备的大尺寸和质量给人们的使用带来不便。因此，为医疗健康发明灵活、生物相容和可持续使用的电子设备是必要的。

自2012年起，摩擦纳米发电机（TENG）的发明为自供电电子设备提供了新的可能性。TENG利用摩擦起电和静电感应的耦合作用将机械能转化为电能，同时凭借成本低、质量轻、电荷密度高、材料选择广泛、结构灵活等优点，在医疗保健领域显示出巨大的潜力。

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院文震副研究员与西交利物浦大学刘伊娜博士等合作总结了近几年TENG在电子医疗领域的最新技术进展。该成果以“Advances in Healthcare Electronics Enabled by Triboelectric Nanogenerators”为题发表在Advanced Functional Materials (影响因子：15.621)上。

由于TENG自发电的性质，在人体健康监测和治疗方面的应用机理可以概括为三个方面：电刺激、自供电传感器和复合集成系统。

首先，TENG产生的电能可直接刺激细胞、组织和器官，以实现康复和治疗功能，例如刺激伤口愈合、刺激肌肉神经和心脏起搏。

其次，外部刺激会导致TENG的不同输出信号，因此，TENG可作为自供电传感器实时反映生理信号，如声音频率、脉搏、心跳、步态。

第三，TENG与其他传感器集成，构成阻抗匹配或混合系统，可实现汗量监测、乳酸浓度监测和温度监测等传感应用，提高了传感稳定性，同时为器件提供了更多的摩擦材料选择。

文章的第一作者为西交利物浦大学博士研究生陈小平、谢欣凯

苏州大学文震副研究员和西交利物浦大学刘伊娜博士为本文共同通讯作者

图1概述了将介绍基于TENG的医疗保健应用的最新进展。从应用机理上可概括为三个方面：电刺激、自供电传感器和集成系统。

在电刺激部分，将举例说明TENGs产生的电能直接刺激伤口、肌肉、神经，并储存至电容器再刺激心脏。在自供电传感器部分，将介绍TENGs作为人工助听器、步态监测、脉搏和植入式心脏感应装置。在集成系统部分，TENGs将与其他传感器连接，实现汗量监测、乳酸浓度监测和温度监测。

图2示例了将TENG做成电子绷带缠绕在大鼠伤口表面，通过大鼠的呼吸运动，PTFE层相对于Cu层的往返运动产生电能，以增强伤口周围的内源电场，促进伤口恢复。

图2d显示了由TENG产生的离散弱电场对线性伤口的影响。可见电极覆盖区线状伤口愈合，覆盖区未完全愈合，对照组未愈合。

为了量化伤口闭合率，图2e显示了在250 V m−1的离散TENG电场下，矩形伤口在72 h后恢复，愈合方向沿着电场方向，而对照组的伤口面积为46%。通过两个对照实验，这种自我供电的电子绷带已被证明是一个简单有效的治疗方法。

图3介绍了旋转圆盘TENG（RD-TENG），通过叉指电极实现交流输出，刺激成纤维细胞（L929）的增殖和转移。在电路中连接变阻器以实现可控电流输出，经过对比试验，50 µA的RD-TENG刺激电流可获得最大L929细胞的增殖率。

成纤维细胞增殖本质上是人类伤口愈合的生物学过程，它可帮助为伤口合成细胞外基质和胶原蛋白。

图3b显示L929细胞增殖促进率随峰值电流的变化而变化。可以看出，10–50 µA的范围可用于加速L929细胞的增殖行为。但如果电流大于100 µA，电刺激对L929细胞增殖有抑制作用。

图3c显示了电刺激也能促进L929细胞的迁移。

图3d显示的是L929细胞在皮肤作直线划伤后的迁移情况，在每天6000次脉冲刺激下，L929细胞的迁移速度比对照组快67.1%。

图4阐述了锯齿形结构的TENG通过体外半植入，以从身体运动中获取机械能，并在肌肉中缝合肌肉内的肌内电极来刺激肌肉，并且可通过电极-运动神经元的位置和波形极性控制刺激效率。

通过采集人体运动产生的外加压力，利用多通道肌内电极直接施加35 µA刺激肌肉。作者将肌内电极缝合在大鼠胫骨前（TA）肌腹上，以测量TENG刺激的能力和效率，如图4c所示。

如果TA肌的兴奋不同，大鼠的腿部将实现肌肉收缩，最终实验结果表明TENG可以成功地刺激特定电极部位的肌肉收缩。此外，原作者还通过建立一个布参数电路模型，探究了电极-运动神经元的位置和波形极性分别对刺激效率的影响。

图5介绍了一种自供电的植入迷走神经刺激（VNS）系统，该系统通过收集胃蠕动的能量产生电流刺激迷走神经传入纤维，从而来减少食物摄入，以达到减肥的目的。

图5a显示了将一个柔韧的TENG附着在胃表面，通过胃的扩张和收缩，TENG产生电输出，并通过两根金导线传导至靠近胃食管交界处的前迷走神经和后迷走神经（AVNs和PVNs）。

通过增重生长期大鼠和成年大鼠进行两组比较实验，如图5e-i所示，植入VNS组的大鼠都具有较小的体型。VNS组的大鼠总是较少食物摄入（图5g，k），因此更容易减肥以获得更轻的体重（图5f，j）。

图5h，l是直接反映了体脂水平的解剖脂肪组织，可见VNS组明显小于对照组。

图6介绍了一种植入式TENG共生起搏器（SPM），它从心跳中获取并储存能量，当开关打开时作为刺激器的动力源刺激心脏。当打开无线被动触发器时，心率从90 bpm增加到130 bpm，可成功调节窦性心律失常。

图6a展示了植入式TENG的核-壳结构，在每个心动周期下，TENG可以达到0.495 µJ的能量和65.2 V的电压。SPM包括植入式TENG、电源管理单元和起搏器单元，把SPM植入猪的胸腔后，当打开无线被动触发器时，心率从90 bpm增加到130 bpm。

有效起搏期间的心电图（ECG）、股动脉压（FAP）、心率（HR）、收缩压（sBP）和刺激R波（S-R）间隔分别如图6f所示。为了验证SPM纠正心律失常的性能，选择了一只有窦房结的成年约克夏猪进行动物实验。

图6g显示SPM可以成功地调节窦性心律失常，获得正常的心律和心电图，纠正心律失常实验中的FAP如图6h所示。

图7设计了一种基于TENG的高灵敏度自供电听觉传感器（TAS），由于TAS的共振能力，原始声音的受损频率区域可以得到补偿，可用于助听器有效地恢复受损声频区。

图7a展示了具有多孔FEP和金膜的逐层结构TAS装置。并通过纳米结构修饰FEP的表面，以提高传感灵敏度。通过内边界结构设计，可以制作出具有特定谐振频率区域的传感器。

图7f展示了声音的信号处理过程如下：一旦TAS获得声波，它将相应地产生电信号，并且由于TAS的共振能力，原始声音的受损频率区域可以得到补偿。之后，放大滤波器将电信号处理到扬声器。为了验证TAS是否可用作助听器，在207至837Hz和1594至2090Hz的频率范围内将声波减弱至-30dB。

在图7g所示的特定频率范围内，用TAS恢复的信号可以放大8.8倍。

图7h显示了原始、受损和记录的声波和频谱图，实验证明，TAS助听器能够有效地恢复受损声频区。

图8报告了一种用于脉搏/血压监测的柔性编织结构自供电压力传感器（WCSPS），具有45.7 mV Pa−1的超灵敏度和5 ms以下的超快响应时间，可作为脉搏波和血压监测仪。

图8c-d展示了将WCSPS设备连接到人体的不同部位，包括指尖、手腕、耳朵和脚踝，采集来自四个部分的电波信号。根据脉搏波的特征点（Ps、Pd和Pm），提出了三个参数，包括K（血管硬化程度）、AC（动脉顺应性）和TPR（总外周阻力），以评估心血管生理状况。

图8g利用分别连接在指尖和耳朵上的两个相同的传感器以获得人体脉搏波速度和血压。

图8h显示了测量的脉冲波形，可通过从指尖到耳朵获得的波形峰值之间的时间延迟计算5.96 m s−1的人体脉搏波速度。通过GA算法的计算，收缩压（SBP）为130.1±2.5 mmHg，舒张压（DBP）为63.5±2.3 mmHg，可获得与商用血压测量袖带相同的精度。

图9介绍了一种基于TENG的用于表皮生理信号监测的摩擦电全织物传感器阵列（TATSA），具有7.84 mV Pa−1的高灵敏度和20 ms的快速响应时间，用以监测脉搏和呼吸。

图9a展示了当缝合到衬衫上时，将TATSA设备产生的生理信号通过信号处理电路进行处理，最后通过无线方式显示在手机上。在连接到颈部（图9c）、手腕（图9d）、指尖（图9e）和脚踝（图9f）后，四个TATSA设备产生如图9c2-f2所示的脉冲波形。通过选择三个特征点（P1到P3），计算增强指数（AIx）和脉搏波速度（PWV）以评估生理状态。图9i显示，TATSA设备也可以在睡眠期间穿着，以监测睡眠质量或睡眠障碍，包括睡眠呼吸暂停综合征。

图11提出了一种用于步态监测的基于TENG的智能鞋垫，通过集成多个传感器，可获得人体的运动状态，还可构成紧急跌倒检测报警系统。

图11b显示在鞋垫的脚跟和前脚掌位置安装两个步态传感器，检测步态监测信号，构成紧急跌倒检测报警系统。如果四个信号都显示正信号，则表示用户摔倒。

图11c展示了将传感器装置能够集成到袜子中，无论是穿着鞋子还是在家中，都可以获得步态信息。

如图11e所示，对于左滑，“TA”受到外力并产生负峰值，而“TB”与PTFE薄膜分离并产生正峰值。与此相反，对于右滑，传感器“TA”和传感器“TB”分别产生一个正峰值和一个负峰值。同理，传感器“TC”和“TD”的峰值可获得向前和向后滑动的运动信息。

图12结合压电和摩擦电混合机制，补偿摩擦电输出的衰减，作为一种无创方法，实现了对不受不规则活动影响的人体汗液水平的监测。此外，结合TENG和电化学传感器实现了自供电乳酸浓度的监测。

图12a展示了TENG和PZT传感器分别用于测试汗液水平，TENG的输出随着汗液量的增加呈下降趋势，因此选择PZT芯片作为参考传感器，因为它不受湿度的影响，可以根据力进行调节针对特定用户或场景。

在正常行走过程中，无论氯化钠溶液如何，PZT传感器输出在1hz下波动在3.3v左右。因此可消除人类不规则活动对输出振幅的影响，得到TENG与PZT输出之比与NaCl量的关系。

图12c中设计了一个用于乳酸监测的自供电电化学系统。

图12d显示了电化学传感器的测量电流与乳酸浓度之间的线性关系。

图12e显示了这种乳酸电化学传感器的选择性，这意味着人体汗液中含有的其他有机物质不会影响乳酸的检测。

图13介绍了一种基于TENG的电容阻抗匹配效应的自供电温度传感系统，通过匹配一种基于甘油液滴的柔性电容式温度传感器（GCS），实现自供电温度报警系统。

图13b展示了阻抗匹配系统的等效电路图，其中电容传感器与TENG串联。传感器的输出电压在电容范围（10 pF–10 nF）范围内有效地从140 V变化到5 V，可以将其视为阻抗匹配传感区域。

图13e显示，随着温度的逐渐升高，GCS的电容有急剧上升的趋势，且电容变化范围为0～2 nF，正好处于阻抗匹配传感区（10 pF-10 nF）。

图13f演示了一个自供电温度报警系统：外部温度迅速升高，当固定恒电容电压达到串联LED的阈值电压时，LED灯将点亮，实现高温报警。

近年来，疾病的治疗、诊断和监测越来越受到重视。医疗电子设备有助于有效治疗和实时监测疾病。TENG具有成本低、结构灵活、自供电等优点，在医疗保健领域显示出巨大的潜力。

在此，我们从电刺激、自供电传感器和复合集成系统三方面回顾基于TENG的医疗应用的最新关键进展。TENG不仅能从机体中获取机械能进行电刺激，而且能对外界刺激产生不同的电信号，此外，TENG和其他传感器相结合的集成系统还可以提高传感稳定性。

最后，虽然TENG在医疗电子领域已显示出巨大的潜力，但实验与实际应用还有一定距离。如何实现定点、定向、定位电刺激、开发一个高效率的电源管理单元以及建立稳定高效的TENG后端信号处理系统、实现高灵敏度、宽频率响应和快响应时间的自供电传感器，这些都是未来努力的方向。

文章链接:

Advances in Healthcare Electronics Enabled by Triboelectric Nanogenerators

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202004673

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