告別電池焦慮！納米發電機如何為穿戴/植入醫療設備“續航續命”

原文發表于《科技導報》2025 年第19 期 《 自驅動納米發電機及其生物醫學應用研究 》

穿戴式/植入式醫療設備的可持續運行對于下一代個性化醫療至關重要。然而，有限的電池容量是大多數穿戴式/植入式醫療電子設備面臨的關鍵挑戰。本文綜述了基于壓電效應、摩擦電效應的納米發電機能量收集器的原理，分析用于穿戴式/植入式醫療設備納米發電機材料的選擇與設計、能量輸出、耐久性及其在生物醫學上的典型應用和評估標準。依據穿戴式/植入式醫療設備的實際需求，討論了納米發電機的前景和面臨的挑戰。

穿戴式和植入式電子醫療設備作為臨床上不可或缺的工具，常被用于監測生理病理信號、治療疾病，特別是對于需要長期和持續監測、分析和治療的慢性病，電池等傳統電源雖然可以滿足所有設備的供電需求，但其高硬度、有限的壽命以及更換帶來的二次手術風險等給患者帶來身心困擾。此外，這些電源通常含有有毒物質，存在泄漏風險。

近年來，自供電技術的發展為上述問題提供了切實可行的解決方案，引起了人們的廣泛關注。隨著越來越多的穿戴式/植入式電子器件被用于生物醫療體系（圖1），基于壓電/摩擦電納米發電機的自驅動電子器件展示出其獨特的優勢。

圖1 納米發電機在生物醫學治療和健康管理中的應用

我們的研究對壓電納米發電機（PENG）和摩擦納米發電機（TENG）結構及工作原理進行了概述，總結了近幾年用于生物納米發電機的材料選擇及生物醫學領域應用方面的主要研究進展。最后，從生物醫療角度討論納米發電機的前景和面臨的挑戰。

壓電納米發電機（PENG）基于壓電效應，利用壓電材料在機械應力作用下發生形變產生電勢差，從而將機械能轉化為電能。這類發電機制造工藝簡單，易與 CMOS 制造工藝兼容，可以收集人體運動、呼吸等產生的機械能。用于生物醫用的壓電材料主要分為三類：

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生物無機材料，如氧化鋅（ZnO）、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）等，這些材料具有優異壓電性能，但大多數對外部施加的應變表現出較差的機械耐受性，在受到機械負荷或彎曲時容易斷裂，不能承受人體組織的變形，且部分材料存在生物毒性，這限制了它們在生物醫學上的應用；

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生物有機材料，如PVDF及其共聚物P（VDF?TrFE），具有極高的柔韌性，良好的機械性能和生物相容性，但其壓電性能往往比不上無機壓電材料，基于有機壓電材料的納米發電機輸出性能較差。

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將有機壓電聚合物與無機壓電材料相結合構建的復合壓電材料，如ZnO/rGO/PVDF、PZT/PVDF，有望同時提高材料的機械性能和壓電性能。

摩擦電納米發電機（TENG）利用兩種不同材料接觸分離時產生的電荷轉移效應發電，具有結構靈活、輸出效率高等優勢。幾乎所有材料都具有摩擦電效應，因此 TENG 材料的選擇范圍很廣。

用于生物醫用TENG的摩擦層材料通常要求其具有低毒性和良好的生物相容性，根據2個摩擦層的材料，摩擦電材料可分為金屬-聚合物、聚合物-聚合物和金屬-金屬3種。其中，金屬-聚合物和聚合物-聚合物是主流的摩擦層材料，常用的金屬如Al、Au、Cu、Ti等，聚合物如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、橡膠、氟化乙烯丙烯（FEP）等。

為了提高產電量，通常將正摩擦電材料（對電子的親和力低）與負摩擦電材料（對電子的親和力高）配對使輸出最大化；此外，通過物理化學手段制備線狀、棱錐狀、柱狀、半球狀等結構或者在材料表面修飾上納米粒、納米管、納米線等調控材料的形貌結構，增大材料的比表面積，進一步提高輸出電信號。

PENG 更適于用作高頻振動收集能量，而TENG 設備能更有效地將頻率低于4 Hz的機械能轉換為電能，這使其能夠從人體的低頻運動（如胃腸運動）中收集能量。兩者均可將機體的機械能轉化為有用的電能，為各種穿戴式和可植入式微型電子醫療設備提供動力，在生物醫學領域展現出多樣化應用價值。

• 在穿戴設備方面，可用于實時監測心率、血壓等生理信號，實現精準藥物遞送，并能通過電刺激促進傷口愈合。

• 在植入式設備領域，能夠為心臟起搏器提供能量，實現無電池起搏，還可通過電刺激促進神經再生，為神經損傷修復提供新方案。

自供電的納米發電機可以收集生物信息并充當電子醫療器件的電源，從而能夠應用于健康監測和生理功能調節，有望成為未來醫療設備的重要動力源，推動個性化醫療發展，為患者提供更優質的診療體驗。但是作為一個新興的研究領域，用于生物醫學應用的納米發電機在未來的研究中仍有許多關鍵問題需要解決。

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當前植入式電子醫療設備面臨的主要挑戰仍然是對能源收集器柔性部件的集成化以及系統的小型化。在保證能源收集器件有足夠能量供應的同時減小其體積和重量對植入式能源收集器至關重要。

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進一步提高納米發電機能源收集器的能量轉換效率和穩定性。在實際應用中，能量收集器需要與其他電子設備集成，才能形成功能完善的一體化自供能系統。因此需要進一步研發新材料并優化其結構，以提高其能量轉換效率，延長納米發電機的使用周期。

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當前納米發電機的研究主要集中于其性能及潛在的生物醫療應用，實際的生物安全性、持久性等尚未深入研究。

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納米發電機及其在生物醫療領域的潛在應用已得到蓬勃發展，然而用于納米發電機的材料自身的生化性能研究卻很少。我們需要結合材料本身的特性，與臨床實踐相結合。

本文作者：李曉燁、呂其英、王征、王琳

作者簡介：李曉燁，華中科技大學同濟醫學院協和醫院組織工程與再生醫學研究中心，碩士研究生，研究方向為生物醫學傳感系統；王琳（通信作者），華中科技大學同濟醫學院協和醫院組織工程與再生醫學研究中心、華中科技大學同濟醫學院協和醫院臨床檢驗科，教授，研究方向為再生醫學和腫瘤免疫。

文章來 源 ： 李曉燁, 呂其英, 王征, 等. 自驅動納米發電機及其生物醫學應用研究[J]. 科技導報, 2025, 43(19): 106?124 .

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