自驱动纳米发电机及其生物医学应用研究

李晓烨1，吕其英1，王征1,2，王琳1,3（1.华中科技大学同济医学院协和医院组织工程与再生医学研究中心；2.华中科技大学同济医学院协和医院胃肠外科；3.华中科技大学同济医学院协和医院临床检验科）

摘要：穿戴式/植入式医疗设备的可持续运行对于下一代个性化医疗至关重要。然而，有限的电池容量是大多数穿戴式/植入式医疗电子设备面临的关键挑战。人体富含机械和化学能（如呼吸、运动、血液循环、葡萄糖的氧化还原等），已有多种方法从机体获取机械能为穿戴式/植入式医疗设备供电的。综述基于压电效应、摩擦电效应的纳米发电机能量收集器的原理，分析用于穿戴式/植入式医疗设备纳米发电机材料的选择与设计、能量输出、耐久性及其在生物医学上的典型应用和评估标准。PENG 更适于用作高频振动收集能量，而TENG 设备能更有效地将频率低于4 Hz 的机械能转换为电能，这使其能够从人体的低频运动（如胃肠运动）中收集能量。两者均可将机体的机械能转化为有用的电能，为各种穿戴式和可植入式微型电子医疗设备提供动力。依据穿戴式/植入式医疗设备的实际需求，讨论了纳米发电机的前景和面临的挑战。自供电的纳米发电机可以收集生物信息并充当电子医疗器件的电源，从而能够应用于健康监测和生理功能调节，如监测生理信号（心率，血压，呼吸节律，运动），药物输送，神经刺激等。随着生物医学设备的开发应用不断增加，未来会继续带来新的诊断工具和更有效的医学治疗方式。

关键词：纳米发电机；自供电；穿戴式/植入式医疗设备；压电效应；摩擦电效应