研究背景

随着传感和信息网络技术的长足进步，互联网已不再局限于在电脑和手机等传统智能设备上实现互连和互通。新颖的技术平台如今也可以将这些互动能力扩展到日常物品和个人，并逐渐形成物联网(loT) 范式，覆盖人类生活越来越多的不同方面。与此同时，新兴纳米技术和材料科学的发展本身也促进了软生物电子学的发展。结合物联网平台，智能可穿戴设备已被广泛用于健康监测、人机融合、人工智能和许多其他应用。更具体地说，随着5G技术的快速发展，可穿戴生物电子技术可以相互连接形成传感器网络，从而为个性化医疗提供大数据洞察力，产生深远的社会经济影响。近年来，随着医疗事业的改革和发展，治疗模式逐渐从以医院为中心转向以病人为中心，极大地鼓励了可穿戴生物电子技术在个性化医疗方面的发展。借助于普及的智能终端，定制的柔性可穿戴传感器可用于监测身体活动、生命体征、甚至冠状病毒等传染病，提供无创的、有吸引力的动态健康评估和个性化医疗。

可穿戴生物电子技术使目前以反应和疾病为中心的医疗系统转变为以疾病预防和健康促进为重点的个性化模式。其中，可穿戴式传感器可以从身体.上获取有价值的信息，并允许人类健康监测，是成熟的医疗物联网(IoMT) 系统的核心组成部分之一。然而，这些可穿戴设备的连续和稳定的电源供应仍然是一个重大挑战。传统上，标准的供电方式依赖于电池，电子设备配备独立的电源以实现独立运行。由于人体在身体活动、心脏/肺部运动、血液循环等方面产生大量的被动生物机械能，将这些能量转换为电能，有望使可穿戴设备摆脱传统电池的有限寿命和频繁更换，最终实现自供电运行。特别是对于植入式设备，自供电设备可以有效地避免更换电源所需的二次手术，提供了巨大的优势和重要的应用前景。几种技术可以将这些生物机械能转化为电能，包括但不限于压电效应、摩擦静电效应、磁弹性效应和电磁效应。其中，基于压电效应的压电纳米发电机(PENGs)自2006年发明以来引起了极大的关注。由于压电材料的固有特性，PENGs 可以实现机械能和电能的可逆转换，允许高效的机电耦合，快速的响应曲线和简单的工程结构。PENGs不仅可以作为能量采集器，而且还可以提供主动感应能力，包括触觉感应、应力或应变感应、声学感应、等形式。当连接到人体时，PENGs 可以监测人类活动的微弱生理信号，包括脉搏检测，呼吸监测，组织弹性模量计算，血流监测等。除了这些应用，产生的电还被广泛用于原位电刺激，细胞活动调节，组织再生和药物输送。近年来，随着新材料的出现和新加工技术的发展，PENG 技术发展迅速，在能源、传感和治疗领域取得重大进展。

研究成果

在过去的十年里，灵活的压电纳米发电机的发展经历了快速的进步,并成为未来最先进的个性化医疗保健的技术基础。由于其高效的机械-电能转换，易于实施和自供电的性质， 这些设备允许在主动传感、电刺激治疗，以及被动的人体生物力学能量采集到第三方电源的身体设备上有大量的创新医疗应用。加州大学洛杉矶分校陈俊教授等人在本文中对用于个性化医疗的压电纳米发电机进行了全面回顾。在简要介绍了压电效应的基本物理科学后，还系统地讨论了材料工程策略、设备结构设计以及以人体为中心的能量采集、传感和治疗应用。此外，还详细介绍了利用压电纳米发电机进行自供电生物电子学和个性化保健的挑战和机遇。相关报道以“Piezoelectric nanogenerators for personalized healthcare”为题发表在Chemical Society Reviews期刊上。

图文导读

Fig. 1 PENGs for personalized healthcare, including human body associated energy harvesting, self-powered sensing, and electrical stimulation therapy.

Fig. 2 Piezoelectric materials and piezoelectricity.

Fig. 3 Materials engineering and structural design for PENGs.

Fig. 4 Inorganic piezoelectric materials based energy harvesting.

Fig. 5 Organic piezoelectric materials based energy harvesting.

Fig. 6 Piezoelectric composites based energy harvesting.

Fig. 7 Natural piezoelectric materials-based energy harvesting.

Fig. 8 Integration of energy harvesting and storage.

Fig. 9 PENGs for human motion sensing.

Fig. 10 PENGs for human machine interaction.

Fig. 11 PENGs for vital signs sensing.

Fig. 12 PENGs for extracorporeal biomechanical sensing.

Fig. 13 PENGs for intracorporeal biomechanical sensing.

Fig. 14 PENGs for sweat sensing.

总结与展望

在过去的十年中，PENGs 受到了广泛而深入的研究关注，并被广泛开发和应用于各种领域。在这篇综述中，作者全面总结和讨论了可穿戴和植入式PENGs的最新进展，包括它们的材料选择、结构设计以及在人体相关能量采集、自供电传感和电刺激治疗中的应用。鉴于PENGs取得的最新进展，示意性地描述了一个智能闭环系统，为下一代个性化医疗构建了一个(IoMT) 范式。这个智能系统包括基于PENG的高性能传感器，可以检测各种生理信号，如脉搏、呼吸、温度、血氧等。然后这些生理信号可以通过5G网络直接传输到医院或医疗中心。数据分析完成后，临床医生可以向病人发送反馈信息，指导治疗，甚至通过病人的终端远程控制治疗，从而以闭环的方式实现个性化医疗。可以预见，物联网模式可以彻底改变现有的医疗模式，全面提高医疗服务的效率，并为大众提供全新的生活方式。尽管近年来灵活的PENGs取得了进展，但仍有许多挑战和机遇摆在面前，需要加以解决以实现这样一个智能系统。

(1)  具有优异综合性能的柔性PENG需要同时具备出色的机械柔性和电气性能。

(2)  PENGs 本身存在多种界面，包括复合材料中的有机相和无机相之间的界面，材料和电极之间的界面，电极和包装材料之间的界面，以及装置和人体之间的界面。这些界面不仅对设备的生物医学性能，而且对它们的灵活性、稳定性和耐久性起着至关重要的作用。

(3)  在传感和能量采集的应用中，PENGs必须紧密地附着在皮肤或组织的表面，以提取小的生物力学压力。

(4)  随着器件的小型化，人们也希望在同一个器件上集成更多的功能，以实现对各种刺激的同时检测，如温度、压力、应变、声音、光线、大气等。

(5)  除压电效应外，其他工作原理如摩擦静电、柔电、磁弹性、电磁效应等也可应用于将机械能转化为具有不同输出特性的电能。

(6)  多传感器数据融合和机器学习的深度整合，对于可穿戴和植入式生物电子学的协同使用是势在必行的。

(7)  可穿戴和植入式PENG在人体中的应用涉及多个学科，包括物理学、化学、材料科学、计算机科学、机械工程、电气工程和生物工程。各个领域的科学家应该紧密合作，以确保他们利用自己的优化技术诀窍来处理特定的主题领域。此外，在工业界和学术界之间建立强有力的关系，对于推进这些设备从实验室过渡到商业.上可行的产品，从而实现工业化的过程非常重要。因此，跨学科合作是该领域的另一个重要趋势。

压电纳米发电机因其优异的机电性能而极大地抓住了人们的兴趣和想象力，目前已经取得了广泛的研究进展。然而，要实现这些设备的实际应用，还有很长的路要走。可以预见，随着研究的广泛深入，柔性压电器件在可穿戴和植入式生物电子学领域会有广阔的前景，并将对未来的个性化医疗产生重大影响。

文献链接

Piezoelectric nanogenerators for personalized healthcare, DOI: 10.1039/d1cs00858g

https://doi.org/10.1039/D1CS00858G