冒爱琴, 陆文宇, 贾洋刚, 王冉冉, 孙静

无机材料学报 2023, 38 (7): 717-730. DOI:10.15541/jim20220549

摘要（1717）

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可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

适当的电刺激对伤口的愈合有着一定的促进作用, 因此, 用模拟内源电场促进伤口愈合的电刺激已成为一种新颖而快速的治疗方法。具体做法就是将纳米发电机附着在伤口上, 两个电极之间产生穿透真皮的电场, 模拟内源性电场, 用来促进伤口愈合。Wang等[90]通过电纺PVDF-TrFE并热压制成纳米纤维支架(Nanofiber scaffold, NFS), 将这些纳米纤维支架作为植入式能量收集器用于大鼠中起到促进细胞增殖和细胞排列生长的作用。如图6(a)所示, 在轻微拉动大鼠植入部位的过程中, 植入的PVDF-TrFE NFS分别产生了6 mV和6 nA的最大电压和电流。由于具有较大的压电效应和良好的细胞相容性, 纤维细胞沿静电纺丝的P(VDF-TrFE)纳米纤维方向完美生长和排列, 细胞增殖率提高1.6倍。也充分证明了该器件具有相当好的生物相容性。

伤口治疗不仅旨在加速愈合, 还可以通过神经再生恢复兴奋功能。但目前大多数治疗系统通常先执行愈合过程, 导致同一时间内神经再生有限。Tan等[91]构建了一个智能贴片, 包括由改性PVDF薄膜作为PENG的压电活性层, 掺杂导电rGO以及负载趋化因子CXCL12和G-Exos的甲基丙烯酸明胶凝胶(rGel)作为电极，此复合贴片称为PRG-G-C。如图6(b)所示, 在1%的弯曲形变就能产生35 mV的电压输出, 而在4%拉伸下更可以达到650 mV, 可有效对伤口进行电刺激, 再加上缓慢释放趋化因子CXCL12和G-Exos, 可在23 d内快速再生伤口部位神经和恢复感觉。

随着生物微电子技术的快速发展, 植入式生物医学设备应运而生并引起了广泛关注。这些设备在改善患者生活质量或延长患者寿命方面表现出许多优势, 但是为这些设备供电仍然是一项技术挑战。Zhang等[93]制备了一种结构如图6(d)所示的微型阵列压电超声能量收集器(PUEH), 通过将该设备植入大鼠体内, 如图6(e)所示, 作用于导水管周围灰质(PAG), 给大鼠皮下注射福尔马林(产生痛觉), 观察超声开启前后大鼠的神经信号和行为模式变化, 发现可以成功达到镇痛的目的。这项工作为解决植入式器件的供电问题提供了新的思路, 且在工作中证明了该器件有着很好的生物相容性。复合压电材料提升了压电材料性能的同时也要考虑填料对生物安全性的影响。选择合适的封装材料也是提高生物安全性的方法。

目前, 能量采集器有可能通过利用人体的生物机械能及时提供电能。然而, 运动时间的随机性和运动幅度的不确定性会使PENG的输出出现波动, 因此利用PENG进行持续稳定的能量供应仍然是一个挑战。常见的解决方案是通过独立的储能装置(如电池或电容)储存产生的电能, 然后由储能装置提供稳定的电力输出。例如, Petritz等[92]将PENG和有机二极管集成在超薄(1 μm)基板上(图6(c)), 从而使其具有良好的柔韧性。将多层器件佩戴在关节、膝盖和肘部, 就可以从生物运动中获取能量。