用于可穿戴和可植入医疗设备的柔性压电材料进展

用日常运动为健康供能

想象一个未来，心脏植入物、绷带式贴片和智能口罩仅依靠你的动作和呼吸就能静静地为自己供电。本文综述了柔性压电纳米发电机——将体内的弯曲、拉伸和脉动转化为电能的小型装置。对普通读者而言，其吸引力显而易见：电池更少需要充电、减少为更换电池而动刀的手术、以及能够持续监测健康甚至帮助组织愈合的医疗设备，这一切都来自于收集我们身体自然产生的能量。

从笨重电池到自供电护理

许多现代医疗设备—from 手腕心率监测器到植入式心脏起搏器—依赖电池。可穿戴设备可能会在不便的时候耗尽电力，打断连续监测；而植入物在电池耗尽时有时必须通过手术更换。论文解释了柔性压电材料如何提供替代方案。当这些特殊材料被心跳、呼吸或肌肉收缩弯曲或挤压时，会产生电脉冲。集成到“压电纳米发电机”（PENG）中的这些材料可以在体内或体表充当微型发电站，减少对传统电池的依赖，支持长期监测和治疗。

与身体匹配的软材料

为了在体内或体表安全工作，这些发电机必须既有效又柔和。文章概述了三类主要的压电材料。无机陶瓷（例如传统的含铅化合物和较新的无铅版本）输出电能强，但往往较硬，且在未妥善封装时可能具毒性。像PVDF这样的有机聚合物更柔软，能随皮肤或器官弯曲，但若不对其内部结构进行精细调控，发电量较小。第三种路径是将硬质和软质成分结合成复合材料，将陶瓷的输出能力与聚合物的柔韧性相结合。综述还强调了可生物降解材料——如丝、胶原和某些塑料——它们在完成任务后可以逐渐溶解，从而实现不需要手术取出的临时植入物。

制造微型发电机并保证安全

把这些材料制成工作装置需要巧妙的制造工艺。对于像晶体一样的硬材料，可借用芯片行业的技术在柔性基底上沉积超薄层。对于较软的聚合物和复合材料，电纺（生成细纤维）和可打印墨水等方法可以覆盖大面积的可弯曲表面。但存在权衡：非常柔性的设备通常产生较弱的信号，而高输出设备可能易碎。另一个核心挑战是保护发电机免受体内潮湿、苛刻环境的影响。常见的保护涂层要么允许过多湿气进入，要么在与移动组织接触时感觉过于僵硬。文章强调，可靠且持久的封装仍然是实际植入应用面临的最大障碍之一。

可穿戴贴片与植入辅助装置

综述随后从材料转向实际设备。在皮肤表面，柔性PENG已被集成到从行走、关节弯曲甚至手指敲击中收集能量的贴片中，有时能产生足够点亮数百个微型LED的功率。类似的装置也可作为敏感传感器：放置在动脉上可检测脉搏波；嵌入口罩中可追踪呼吸模式；贴近肌肉可记录收缩，用于康复或控制辅助器具。在体内，PENG已被缝在心脏上以收集每次心跳的运动，且已展示出为商用起搏器供电的能量。一些装置缠绕在血管或胃壁上，可持续监测压力和运动。有的系统更进一步，使用体外聚焦超声传送能量来驱动植入发电机，从外部刺激神经、促进骨修复或帮助皮肤伤口愈合——所有这些都无需体内电池。

连接云端与医生办公室

由于PENG能同时感知并供电，它们自然而然地适合连接健康系统。文章描述了这些设备如何通过蓝牙、Wi‑Fi或蜂窝网络将数据发送到手机和云平台，在那里人工智能工具会筛选大量信号流。算法可以学习识别异常心律、血压趋势变化、不规则呼吸或异常运动模式，从而实现早期警报和更个性化的治疗。从更长远看，这可以支持闭环护理：同一PENG设备在感知问题的同时，能根据远程分析生成的指令自动调整刺激模式或药物给药速率。

这对未来医学意味着什么

简言之，文章的结论是，柔性压电发电机可能使医疗设备更像是安静的长期伙伴，而非脆弱的小玩意儿。通过从自然的身体运动中汲取能量，它们承诺减少换电池次数、实现更连续的监测，并带来支持愈合的新型柔和电疗法。要达到日常临床使用，研究人员仍需提升能量输出、证明长期安全性、完善保护涂层，并整合安全的无线和数据系统。如果这些难题被解决，该技术可能成为下一代自供电、连接型医疗植入物和可穿戴设备的基础，在幕后持续帮助人们更长久地保持健康。

引用: Liang, J., Liu, X., Du, J. et al. Advances in flexible piezoelectrics for wearable and implantable medical devices. npj Flex Electron 10, 61 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00559-z

关键词: 柔性压电纳米发电机, 可穿戴医疗设备, 可植入医疗设备, 自供电生物传感器, 无线神经调控