上海
随着柔性电子设备在健康监测和医疗诊断领域的革命性潜力日益凸显，对具备高性能压电材料的需求也愈发迫切。 聚左旋乳 酸 （ PLLA ） 纳米纤维膜因其卓越的生物相容性、生物可降解性和优异的柔韧性，在自供 电健康 监测和组织修复方面展现出巨大潜力。然而，其固有的压电性能不足以满足实际应用需求，这使得增强 PLLA 的压电性能成为一个亟待解决的挑战。
近日，清华大学 李舟 教授 团队在 国际期刊 Advanced Science 上发表了 题为 Topologically Structured PLLA Fibers With Stress Concentration Effects for Health Monitoring 的 研究。该研究成功开发了一种集成拓扑结构设计和应力集中效应的多路径增强策略，显著提升了PLLA纤维的压电性能，为新一代高性能健康监测器件奠定了基础。
该 团队首先从 PLLA 的 结晶能力调控 层面入手，解决了 PLLA 纤维固有压电性能不足的问题。他们发现，将 低浓度 高长径比的针状羟基磷灰石 （ HAp ） 引入 PLLA 中，能够作为异相成核剂，有效 提高 PLLA 的结晶度，并促进其分子链的有序排列。这一策略显著增强了 PLLA 纤维固有的压电输出。通过对 HAp 不同形貌的筛选和掺杂浓度的优化，研究人员确定了最佳条件，从而在分子层面实现了压电性能的提升。
在此基础上，为进一步放大压电效应， 该 团队巧妙地构建了具有特定拓扑结构的 PLLA- HAp /PLLA 复合纤维膜。他们发现，将低浓度 HAp 均匀分散的无序 PLLA 纤维膜作为上层，并与下层有序排列的 PLLA 纤维膜结合时，能够在两层纤维界面的微观区域产生显著的应力集中效应。这种独特的结构设计能有效地将外部机械力转化为局部高度集中的应力，从而极大地增强纤维膜的压电响应，实现 “ 力电转换 ” 效率的跃升。实验结果显示，在冲击模式下，该优化后的纤维膜压电输出约为纯 PLLA 纤维的 6 倍；在弯曲模式下，更是高达 14 倍 ，突出拓扑结构设计耦合应力集中效应提高 PLLA 纤维 压电性能 的优势 。
通过后续实验，该 复合压电纤维器件 成功验证了其在监测人类生理活动 方面的卓越性能 ， 如颈动脉脉搏、手腕和膝盖关节运动 等 。值得一提的是，研究团队进一步在猪模型上成功记录了猪关节运动和心脏活动，证明了其在未来临床监测应用中的可行性。
总体来说， 该研究提出一种多路径策略，通过对 PLLA 纤维进行晶体学调控与 拓扑 结构设计 以及引入应力集中效应 ， 有效地 提升其压电性能。 这项 工作 为开发下一代高性能压电 / 自供电器件 提供了一种全新的设计思路， 在健康监测、组织工程和个性化医疗等领域具有广阔的应用前景。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75619
制版人：十一
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