基于镍钛合金的生物相容性摩擦电支架传感器：心血管健康监测的新突破

为解决传统心血管植入设备依赖电池、存在环境风险及监测功能有限等问题，研究人员开发了一种基于镍钛合金(Nitinol)的自供电摩擦电纳米发电机(TENG)支架传感器。该设备通过PVDF/PDMS涂层材料实现机械能-电能转换，可实时监测动脉压力、心率和呼吸频率，最高输出达24V直流电压。这项研究为心血管疾病的无源监测提供了创新解决方案，推动了可植入式医疗设备的可持续发展。

　　

心血管疾病是全球头号健康杀手，其中冠状动脉疾病(CAD)因动脉粥样硬化斑块积累导致血管狭窄，每年造成数百万人死亡。传统解决方案如心脏支架虽能扩张血管，但缺乏实时监测功能；而植入式心脏起搏器等设备依赖有限寿命的锂电池，需反复手术更换并存在环境污染风险。更棘手的是，现有技术难以捕捉早期血管异常收缩(vasoconstriction)或压力波动，这些动态变化恰恰是心血管事件的关键预警信号。

针对这些挑战，美国能源部资助的研究团队在《Hybrid Advances》发表了一项突破性研究。他们巧妙结合形状记忆合金Nitinol与摩擦发电技术，开发出全球首个自供电冠状动脉支架传感器(NHMS)。该设备通过编织成"中国指套"结构的镍钛合金导线网络，将动脉搏动的机械能转化为电能，同时实现血管扩张和健康监测双重功能。

关键技术包括：1) 采用热处理方法激活Nitinol的超弹性相变特性(30°C相变温度)；2) 通过浸渍法在电极分别涂覆β相PVDF(增强压电效应)和PDMS(生物相容层)；3) 搭建人工动脉模拟系统测试不同压力(5-13 psi)和心率(30-180 bpm)下的电信号输出；4) 结合SEM和XRD分析材料微观结构。

3.1. Production and characterization of NHMS
研究团队将4根Nitinol导线以"中国指套"方式编织成直径1cm的中空结构，经300°C退火和油淬处理固定形状。扫描电镜显示，β相PVDF涂层呈现高度有序的TTTT分子链构象，XRD在24.25°衍射角出现特征峰，证实其优异的铁电性。

3.3. Working principles of stent-TENG
当动脉收缩时，PVDF(电负性)与PDMS(电正性)接触产生电荷分离，最大可产生24V直流电压。动脉舒张时，人体37°C体温触发Nitinol的奥氏体相变，使传感器恢复初始形状完成能量收集循环。

3.5. Health monitoring performance of NHMS
在模拟测试中，传感器展现出精准的生理信号捕捉能力：非恒定压力下输出0.31-0.71V电压梯度，与动脉压力正相关；180bpm心率时产生1000mV交流电信号。FTIR分析证实退火处理使PVDF的β相结晶度提升42%，显著增强 triboelectric 效应。

这项研究开创性地解决了植入式设备的能源供给难题，其双重功能设计使支架既是治疗工具又是诊断平台。特别值得注意的是，24V的输出电压已接近临床除颤阈值(0.13V的100倍)，为开发自供电心脏起搏器提供了可能。尽管PDMS涂层的长期稳定性仍需优化，但该技术已展现出变革心血管监测范式的潜力——未来或可实现"血管即电源"的医疗场景，通过每一次心跳为植入设备供电，真正实现"治疗-监测-治疗"的闭环管理。正如研究者强调的，这种基于生物力学能量收集的解决方案，不仅避免了锂电池的环境污染，更将推动医疗设备向微型化、智能化方向发展。