告别电池焦虑！纳米发电机如何为穿戴/植入医疗设备“续航续命”

原文发表于《科技导报》2025 年第19 期 《 自驱动纳米发电机及其生物医学应用研究 》

穿戴式/植入式医疗设备的可持续运行对于下一代个性化医疗至关重要。然而，有限的电池容量是大多数穿戴式/植入式医疗电子设备面临的关键挑战。本文综述了基于压电效应、摩擦电效应的纳米发电机能量收集器的原理，分析用于穿戴式/植入式医疗设备纳米发电机材料的选择与设计、能量输出、耐久性及其在生物医学上的典型应用和评估标准。依据穿戴式/植入式医疗设备的实际需求，讨论了纳米发电机的前景和面临的挑战。

穿戴式和植入式电子医疗设备作为临床上不可或缺的工具，常被用于监测生理病理信号、治疗疾病，特别是对于需要长期和持续监测、分析和治疗的慢性病，电池等传统电源虽然可以满足所有设备的供电需求，但其高硬度、有限的寿命以及更换带来的二次手术风险等给患者带来身心困扰。此外，这些电源通常含有有毒物质，存在泄漏风险。

近年来，自供电技术的发展为上述问题提供了切实可行的解决方案，引起了人们的广泛关注。随着越来越多的穿戴式/植入式电子器件被用于生物医疗体系（图1），基于压电/摩擦电纳米发电机的自驱动电子器件展示出其独特的优势。

图1 纳米发电机在生物医学治疗和健康管理中的应用

我们的研究对压电纳米发电机（PENG）和摩擦纳米发电机（TENG）结构及工作原理进行了概述，总结了近几年用于生物纳米发电机的材料选择及生物医学领域应用方面的主要研究进展。最后，从生物医疗角度讨论纳米发电机的前景和面临的挑战。

压电纳米发电机（PENG）基于压电效应，利用压电材料在机械应力作用下发生形变产生电势差，从而将机械能转化为电能。这类发电机制造工艺简单，易与 CMOS 制造工艺兼容，可以收集人体运动、呼吸等产生的机械能。用于生物医用的压电材料主要分为三类：

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生物无机材料，如氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）等，这些材料具有优异压电性能，但大多数对外部施加的应变表现出较差的机械耐受性，在受到机械负荷或弯曲时容易断裂，不能承受人体组织的变形，且部分材料存在生物毒性，这限制了它们在生物医学上的应用；

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生物有机材料，如PVDF及其共聚物P（VDF−TrFE），具有极高的柔韧性，良好的机械性能和生物相容性，但其压电性能往往比不上无机压电材料，基于有机压电材料的纳米发电机输出性能较差。

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将有机压电聚合物与无机压电材料相结合构建的复合压电材料，如ZnO/rGO/PVDF、PZT/PVDF，有望同时提高材料的机械性能和压电性能。

摩擦电纳米发电机（TENG）利用两种不同材料接触分离时产生的电荷转移效应发电，具有结构灵活、输出效率高等优势。几乎所有材料都具有摩擦电效应，因此 TENG 材料的选择范围很广。

用于生物医用TENG的摩擦层材料通常要求其具有低毒性和良好的生物相容性，根据2个摩擦层的材料，摩擦电材料可分为金属-聚合物、聚合物-聚合物和金属-金属3种。其中，金属-聚合物和聚合物-聚合物是主流的摩擦层材料，常用的金属如Al、Au、Cu、Ti等，聚合物如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、橡胶、氟化乙烯丙烯（FEP）等。

为了提高产电量，通常将正摩擦电材料（对电子的亲和力低）与负摩擦电材料（对电子的亲和力高）配对使输出最大化；此外，通过物理化学手段制备线状、棱锥状、柱状、半球状等结构或者在材料表面修饰上纳米粒、纳米管、纳米线等调控材料的形貌结构，增大材料的比表面积，进一步提高输出电信号。

PENG 更适于用作高频振动收集能量，而TENG 设备能更有效地将频率低于4 Hz的机械能转换为电能，这使其能够从人体的低频运动（如胃肠运动）中收集能量。两者均可将机体的机械能转化为有用的电能，为各种穿戴式和可植入式微型电子医疗设备提供动力，在生物医学领域展现出多样化应用价值。

• 在穿戴设备方面，可用于实时监测心率、血压等生理信号，实现精准药物递送，并能通过电刺激促进伤口愈合。

• 在植入式设备领域，能够为心脏起搏器提供能量，实现无电池起搏，还可通过电刺激促进神经再生，为神经损伤修复提供新方案。

自供电的纳米发电机可以收集生物信息并充当电子医疗器件的电源，从而能够应用于健康监测和生理功能调节，有望成为未来医疗设备的重要动力源，推动个性化医疗发展，为患者提供更优质的诊疗体验。但是作为一个新兴的研究领域，用于生物医学应用的纳米发电机在未来的研究中仍有许多关键问题需要解决。

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当前植入式电子医疗设备面临的主要挑战仍然是对能源收集器柔性部件的集成化以及系统的小型化。在保证能源收集器件有足够能量供应的同时减小其体积和重量对植入式能源收集器至关重要。

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进一步提高纳米发电机能源收集器的能量转换效率和稳定性。在实际应用中，能量收集器需要与其他电子设备集成，才能形成功能完善的一体化自供能系统。因此需要进一步研发新材料并优化其结构，以提高其能量转换效率，延长纳米发电机的使用周期。

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当前纳米发电机的研究主要集中于其性能及潜在的生物医疗应用，实际的生物安全性、持久性等尚未深入研究。

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纳米发电机及其在生物医疗领域的潜在应用已得到蓬勃发展，然而用于纳米发电机的材料自身的生化性能研究却很少。我们需要结合材料本身的特性，与临床实践相结合。

本文作者：李晓烨、吕其英、王征、王琳

作者简介：李晓烨，华中科技大学同济医学院协和医院组织工程与再生医学研究中心，硕士研究生，研究方向为生物医学传感系统；王琳（通信作者），华中科技大学同济医学院协和医院组织工程与再生医学研究中心、华中科技大学同济医学院协和医院临床检验科，教授，研究方向为再生医学和肿瘤免疫。

文章来 源 ： 李晓烨, 吕其英, 王征, 等. 自驱动纳米发电机及其生物医学应用研究[J]. 科技导报, 2025, 43(19): 106−124 .

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