科学新知｜从身体及环境中收集能量，自驱动技术有望解决心脏电子设备供能难题

以下文章来源于科技导报，作者吴礼、罗瑞增等

科技导报.

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传统的植入式心脏电子医疗器件电池寿命有限，难以为患者提供长期、不间断的监测和治疗，自驱动技术的出现解决了这一难题。

本文介绍了自驱动技术的类型和原理，从供能、传感和电刺激3个方面回顾了自驱动技术在植入式心脏电子医疗器件中的应用，从自驱动植入式心脏电子医疗器件能源的收集和存储管理、植入物的长期生物相容性、电刺激的生物学效应3个方面展望了自驱动技术与植入式心脏电子医疗器件未来的发展方向。

现有的心脏电子设备主要有植入式心脏起搏器、植入式心脏除颤器、植入式心脏监护仪等，虽然这些设备可以对心脏病患者进行稳定持续的监测并及时的诊断和治疗，保证患者的正常生活和工作。然而电池有限的寿命是一个不可回避的问题，这极大地限制了心脏电子设备的发展。

目前临床治疗所使用的心脏起搏器电池寿命大概在7~8年，患者往往需要二次手术来更换电池或起搏器，这导致患者出现依从性差和易感染等问题。因此，需要有可持续的能源供应，以保证植入式心脏电子医疗器件可以为患者提供长期、不间断的监测和治疗。自驱动技术的出现解决了这一问题，这类技术可以将机械能、太阳能、热能及生化能量转化为电能，来为设备供电。

自驱动技术

对于植入式电子医疗器件的自驱动技术，目前已经探索出两种实现途径，一种是通过换能器件将环境中的能量（肌肉收缩、血流、穿过组织的红外光和声波等）转化成电能为设备供电，另一种是通过换能器件将生物体中的物理能/化学能转化成电能。

现有的自驱动技术包括压电纳米发电机（PENG）、摩擦纳米发电机（TENG）、太阳能收集器、热释电纳米发电机、生物燃料电池。

自驱动技术的类型

压电纳米发电机

PENG是利用压电效应在纳米尺度下收集微小机械能并将其转化为电能的一种纳米发电机。压电效应是材料在应力作用下产生内部电势的一种现象。PENG通常由外部负载、可产生压电势的压电材料和柔性基板组成。

常见的压电材料有氧化锌（ZnO）、锡酸锌（Zn‐SnO3）、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE）等。PENG具有功耗低、设计简单、柔韧性和机械稳定性好等优点，但其输出相对较低。

PENG的输出大小主要取决于压电材料的压电系数和应变量。研究者通常会通过材料复合增加界面诱导效应，从而增强压电性能，如在PVDF基体中掺杂高介电常数、高压电常数的陶瓷填料、碳基材料或金属纳米颗粒来提高β相的含量，从而增强PVDF的压电性能。

改良结构设计也可以增强压电性能，比如多层聚合物纳米复合材料可以通过介电/电极和介电/介电界面合成来抑制电荷注入和迁移，提高击穿强度，从而增强能量密度。

摩擦电纳米发电机

TENG是基于摩擦电效应和静电感应所设计的纳米发电机。TENG有4种不同的工作模式：垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。

垂直接触-分离模式的优点在于结构设计和制作简单、瞬时输出功率高、易实现多层集成等，常用在间隔物结构、拱形结构、弹簧支撑结构的能量收集器中。

水平滑动模式的TENG的输出较低，但是由于其中1个摩擦面不需要连接导线，所以它的应用也非常广泛。不仅可以收集微风、雨滴等机械能，还可以应用于触觉、速度、角度、压力及人体健康监测等传感器。

独立层模式的TENG中介电层的移动不一定需要直接和电极进行接触，这样就可以降低材料表面的磨损，增加TENG的耐久性。因此，这种模式可以广泛应用于转轮式、栅极整列式、滑动式等不同结构的能衡量收集器及蓝色海洋能量收集。

纳米发电机的原理

热释电纳米发电机

热释电纳米发电机是利用具有热释电效应的纳米材料把温度变化转化为电能的一种能量收集器。常用的热释电材料有ZnO、PZT、BTO、PVDF及其复合材料等。

热释电纳米发电机具有耐用性高、环境适用性强、灵活等优点，其输出大小受材料的热释电系数和温度变化的影响，通常用于火灾预警、热传感、热成像、污染监测等领域。

热释电原理图

生物燃料电池

生物燃料电池是从生物体、生物环境中获取生化能量产生电能的一种能量收集器。根据催化剂类型的不同，可将生物燃料电池分为微生物燃料电池、酶燃料电池、光催化燃料电池等。

微生物燃料电池和光催化燃料电池被广泛用于污水处理和发电，酶燃料电池常用作生物传感。

生物燃料电池原理

太阳能电池

太阳能电池是利用半导体的光伏效应，将光能转化为电能的能量收集器。随着光伏技术的发展，研究者逐渐开发出了单晶硅、多晶硅、钙钛矿、无铅钙钛矿等类型的太阳能电池。

由于太阳能电池具有永久性、灵活性以及清洁性，被广泛用于通信、交通、气象等领域的供电。

太阳能电池原理

自驱动技术在植入式心脏电子医疗器件中的应用

自驱动技术可以从身体及周围环境中收集能量为电子器件供能，在植入式心脏电子医疗器件的设计和应用中具有巨大的潜力。

TENG、PENG具有形状可调节、参数可控、体积小、生物相容性好、输出高、灵敏度高、成本低、简单易获得等特点。接下来将主要介绍基于TENG、PENG的自驱动技术在植入式心脏电子医疗器件中的应用。

设备供能

自中国科学院外籍院士王中林提出纳米发电机以来，研究人员为了解决植入式心脏电子设备的能源供给问题，根据不同植入部位和设备供能要求，开发了各种结构、模式及材料的纳米发电机，将人体运动和维持生命活动所产生的微小机械能转化为设备所需的电能。

为了简单且有效提升压电纳米发电机的能量收集效率，其材料的使用原则不仅仅局限于单一无机或有机压电材料，不少研究者开始从无机和有机压电材料的复合入手，解决单一无机压电材料输出较低的问题。

垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机可以很好地采集生物运动产生的微小机械能，如心脏跳动、呼吸过程中膈肌的运动等，这为植入式电子器件的能源供给提供了一种新的策略。

纳米发电机为植入式心脏电子设备供能

心功能传感

纳米发电机不仅可以为植入式医疗器件供电，还可以采集微弱的机械形变通过电信号的形式实现传感监测，且不需要外部能源的供应，可以完全实现自驱动。纳米发电机在作为生物医学传感器的研究中表现出了较高的灵敏度、快速的响应时间和优异的稳定性等优异的特点。

心率和心律分别是可以简单评价心脏跳动速度和节律的极为重要的生命体征指标。纳米发电机可以将心脏跳动转化为电脉冲，电脉冲的频率可以体现出心脏跳动的速度，电脉冲的间隔可以提示心脏的节律。

植入心脏或心包的纳米发电机不仅可用于监测心率，还可以用来监测血压。心内压的升高会增加心脏负荷，引发心衰、脑卒中等，常用侵入性心导管监测心内压，但在长时间、连续性的监测中心导管具有局限性。

因此，Liu等利用摩擦纳米发电机高灵敏度、小型化、柔性、自供电的特点，设计了一款心内膜压力传感器，可以将心腔内的血液流动的能量转化为电能，以实时监测心内膜压力的变化、心室颤动和室性早搏。

植入式纳米发电机作为心脏电子设备的传感器

电刺激

窦房结作为“心脏起搏点”，其激动时间或激动位置异常均会引起心律失常。心律失常会影响心脏泵血功能，进而导致各器官的供血不足，因此在监测心率的同时需要及时的干预，维持心脏的自主性节律。

随着材料的发展及纳米发电机结构的优化，纳米发电机的输出性能也逐渐上升，不仅可以为商用心脏起搏器供能，还可以释放电脉冲直接对心脏的细胞和支配心脏的神经进行电刺激。

植入式纳米发电机在心脏刺激中的应用

结论

近些年来，植入式心脏电子设备的供能瓶颈问题也因自驱动技术的发展得以解决。基于纳米发电机的自驱动技术在心脏电子设备中的应用主要体现在供能、传感和电刺激3个方面。

基于纳米发电机的心脏电子设备虽然在大动物体上进行了大量的研究，但未来仍有以下3个关键问题需要探索：

1）能源的收集和储存管理。纳米发电机是将低频的机械能转化为电能，由于人体的机械运动（如心跳和呼吸）频率较低，所以纳米发电机的能量收集效率相较于无线传输等方式仍处于低水平。而且纳米发电机的阻抗与储能电容的阻抗不一致，因此在充电过程中，能量存储效率不高。

如何利用结构设计、材料优化、工程技术提高植入式纳米发电机的能量收集和存储的效率是下一步需要研究的方向之一。

2）植入物的长期生物相容性。在人体表面和组织内部存在很多感知内部或外部变化的感受器，较大的植入物会引起机体的排异反应。为了提高生物相容性，不少研究者已经进行了多年研究，通过使用生物相容性好的材料、器件小型化等方式降低机体的排异反应。

未来应用到人体时还需更多关注植入式电子器件的安全性、器件体液环境下运行的稳定性。

3）电刺激的生物学效应。目前大量植入式心脏电子设备主要集中在传感和为商用设备的供能两大方向，这使得纳米发电机对心脏功能的恢复仍是间接的。尽管已有研究人员探究了纳米发电机对心肌和支配心脏的迷走神经进行直接电刺激来一定程度上改善心脏的功能，但仍有一些刺激参数、生物学机制和其他的生物学效应未进行探究。

未来可以考虑使用纳米发电机所产生的独特电流（高电压，低电流）对心肌和支配心脏的神经实施精准和个性化的电刺激和电调控。

基于自驱动技术的植入式心脏电子设备具有很高的临床使用价值，面对上述挑战，未来需要结合生物学、临床医学、材料学、电子学和机械工程等学科的前沿技术手段，设计和开发更适用于临床诊疗的自驱动植入式心脏电子设备。