基于介电/官能团耦合协同增强效应的摩擦纳米发电机在偏瘫患者头部撞击与坐姿监测中的应用研究

这篇综述系统阐述了自供电医疗系统（BEH/ASS）如何通过摩擦电（TENG）、压电（PLLA）、热电等能量采集技术，结合人工智能（AI/ML）与物联网（IoMT），实现慢性病连续监测与治疗。作者重点探讨了可拉伸水凝胶、生物降解聚合物等材料在穿戴/植入式设备中的创新应用，为个性化医疗提供可持续解决方案。

　　

Highlight

自供电医疗技术正通过生物医学能量采集（BEH）与自主传感系统（ASS）的融合重塑医疗范式。这些系统从人体运动中捕获机械能（如摩擦电TENG）、体温梯度（热电）甚至生化反应能量，将其转化为电能驱动无电池医疗设备。例如，聚乳酸（PLLA）压电聚合物可制成柔性植入式传感器，而嵌入智能纺织品的TENG既能发电又能实时监测步态异常。

Bioenergy Harvesting Mechanisms

生物能量采集机制涵盖五大技术路径：

1. 1.

   摩擦电纳米发电机（TENG）：利用皮肤接触分离电荷，适合监测关节运动（如偏瘫患者康复训练）；

2. 2.

   压电材料：如聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜可将呼吸振动转化为电能；

3. 3.

   热电发电机：通过体温与环境温差为血糖仪供电；

4. 4.

   生物燃料电池：用汗液葡萄糖驱动贴片传感器；

5. 5.

   电磁感应：心脏起搏器可从血流动能中获取能量。

Advanced Materials and Device Engineering

前沿材料如二维纳米材料（MXenes）、生物金属有机框架（bio-MOFs）赋予设备超柔韧性与高能量转换效率。3D/4D打印技术可定制符合耳廓形态的助听器能量模块，而AI驱动的分子模拟能快速筛选最佳压电系数组合（如d₃₃>20 pC/N的材料）。

Integration and applications with Biomedical Systems

在偏瘫护理中，坐姿监测TENG坐垫通过电压波动识别体位失衡，头部撞击传感器则利用介电层/羧基协同效应提升灵敏度（响应时间<50 ms）。这些设备通过低功耗蓝牙（BLE）将数据传至手机APP，构成闭环康复物联网（IoMT）。

Performance, Power Management, and System Autonomy

系统自主性依赖三大创新：

• •

  自适应占空比调节：仅在检测到异常ECG信号时激活高功耗模式；

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  微型超级电容器：存储TENG产生的脉冲式电能；

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  边缘AI算法：在本地完成90%的运动模式识别，减少无线传输能耗。

Challenges

临床转化仍面临生物污染（如蛋白质在TENG表面沉积导致信号衰减）、长期植入的纤维囊形成等问题。解决方案包括仿生荷叶疏水涂层和可降解聚己内酯（PCL）封装层。

Conclusion

自供电医疗系统正从实验室走向病床，其核心在于将能量采集、智能传感与临床需求无缝衔接——就像给偏瘫患者穿上会“发电”的智能护具，让康复监测变得无形却无处不在。