面向穿戴式与植入式健康监测设备的新一代压电材料
2025-11-08 19:55:13 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统回顾了用于健康监测的压电材料的发展历程，概述了压电材料的各种结构、机制和特性，分析了压电材料在合成技术、加工工艺和性能表征方面的最新进展，以及在穿戴式和植入式生物医学设备中的具体应用，并对未来发展方向、潜在挑战与前景进行了展望。
小型生物医学设备的快速发展正受到全球范围的广泛关注，这主要源于市场对先进医疗解决方案日益迫切的需求。尽管在材料、制造工艺与设备架构等方面已取得显著进展，有力推动了穿戴式与植入式监测技术的进步，但仍有一项关键挑战——如何有效模拟人体皮肤的结构与功能。该问题与当前在能效提升、设备小型化、测量精度及系统集成等领域所取得的成果形成对比。值得期待的是，近年来制造技术的持续创新，以及具有可调机械性能的高性能有机与无机压电材料的涌现，为解决上述瓶颈带来了前所未有的机遇。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，香港城市大学、香港心脑血管健康工程中心的研究团队在Advanced Science期刊上发表了题为“Next-Generation Piezoelectric Materials in Wearable and Implantable Devices for Continuous Physiological Monitoring”的综述文章，系统回顾了用于健康监测的压电材料的发展历程，概述了压电材料的各种结构、机制和特性，分析了压电材料在合成技术、加工工艺和性能表征方面的最新进展，以及在穿戴式和植入式生物医学设备中的具体应用，并对未来发展方向、潜在挑战与前景进行了展望。
压电效应
压电效应是一种双向耦合现象，表现为机械信号与电信号之间的相互转换。当对压电材料施加机械应力时，其内部会产生电荷，这被称为正压电效应。反之，当施加外部电场时，材料会发生机械形变，这被称为逆压电效应。这两种效应在生物工程中都具有重要应用：正压电效应常用于穿戴式传感器或能量收集装置；而逆压电效应主要被用作执行器。近年来，逆压电效应也开始应用于基于压电微泵的透皮给药系统等生物医学领域。
图1 压电效应示意图
压电材料
压电材料的发展历程丰富多彩，从早期石英压电特性的发现，逐步演进为涵盖多种先进材料的体系。当前，针对人体生理监测和植入式设备的研究主要聚焦于三大类关键材料：无机压电陶瓷、功能性合成压电聚合物，以及天然/生物分子压电体系。这种分类方式展现了压电材料的发展脉络：从具备强压电响应的高强度陶瓷材料，逐步发展到兼具柔性与生物相容性的工程化聚合物，最终迈向具备优异生物整合潜力的生物分子体系。
图2 压电陶瓷及其在穿戴式设备中的应用
图3 压电聚合物及其在穿戴式传感器中的应用
图4 生物基与可降解压电材料的应用
压电器件的制造技术
压电材料因其可扩展性的优势而被广泛应用于穿戴式和植入式电子设备中。目前已开发并优化了多种材料加工技术用于制造压电材料及相关传感器和执行器，涵盖溶液基方法（例如静电纺丝、旋涂）、精密印刷技术（例如丝网印刷、喷墨打印）以及先进制造技术（例如3D打印增材制造）。这些制造方法在结构控制、可扩展性和器件集成能力等方面各具优势，满足了压电材料与器件的多样化制备需求。
图5 基于静电纺丝技术的压电材料及其应用
图6 基于旋涂与3D打印技术的压电材料及其应用
图7 基于丝网印刷和喷墨打印技术的压电器件及其生物医学应用
压电材料的表征技术
准确表征压电材料的物理化学性质，对于深刻理解其“结构-性能”关系至关重要。目前，针对压电材料的标准化表征技术主要包括：基础微观结构分析、直接压电响应测试、化学成分鉴定以及热行为研究等。这些先进的表征技术能够全面揭示材料的微观结构、压电特性、表面化学状态及热稳定性等关键信息，对于优化器件性能至关重要。
图8 压电材料的关键表征技术：压电力显微镜（PFM）与示差扫描量热法（DSC）
应用领域
随着压电材料的不断进步，其在人体生理监测与能量收集领域的应用也日益广泛。这类材料能够将机械能转化为电能，因而非常适合于植入式和穿戴式电子设备。基于压电材料，能够提高穿戴式和植入式技术的整体性能和效率，从而开发出既实用又灵活的先进医疗解决方案，例如智能服装、高效能量收集系统，以及各种穿戴式和植入式应用中的健康监测设备。
图9 压电材料在穿戴式电子设备中的应用
图10 自供电的可生物降解植入物与压电换能器应用
未来趋势与展望
展望未来，压电材料在生物医学设备中的发展呈现出多学科交叉、动态演进的特点，有望为医疗技术带来深远变革。压电材料的重要发展方向包括：
（1）开发多功能复合材料：融合无机陶瓷的优异压电性能与有机聚合物的柔韧、生物相容性和可降解特性，重点优化界面结构，以实现高性能、长期安全的植入式设备。
（2）创新制造工艺：推动3D打印、静电纺丝、喷墨打印等技术升级，实现复杂压电器件的精密加工、规模化生产与成本控制，支持定制化医疗与多功能集成。
（3）集成智能电子与无线通信：嵌入低功耗芯片与无线传输模块，构建以生物机械能自供电的闭环诊疗系统，实现实时监测、智能干预与数据互联。
（4）发展可降解瞬态电子器件：针对短期诊疗需求，开发可在体内可控降解的电子设备，重点研究降解动力学、服役期稳定性与生物相容性封装技术。
（5）加强标准化与法规协同：建立统一测试标准、安全规范与性能评价体系，助力技术转化、监管审批与系统兼容，推动临床推广应用。
（6）融合人工智能（AI）和物联网（IoT）技术：结合AI与IoT，实现数据驱动的预测诊疗、个性化健康管理与远程监护，将压电器件作为感知节点支撑系统智能化。
（7）关注环境可持续性：推行绿色材料设计、可回收组件与低碳生产工艺，降低医疗电子产品全生命周期的生态环境影响。
总之，基于压电器件的生物医学设备的未来依赖于材料科学、电子工程、数据科学与临床医学的深度融合。通过突破现有的技术瓶颈，整合新兴科技，下一代压电传感与执行系统将朝着更智能、更安全、更可持续的方向发展，为个性化医疗与健康管理开辟全新路径。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202507853
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