中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系梁子騏團(tuán)隊(duì)聯(lián)合長(zhǎng)征醫(yī)院骨科徐辰副教授以及上海硅酸鹽所柏勝?gòu)?qiáng)研究員和陳立東院士在Advanced Materials上發(fā)表了題為"Piezoelectric-Augmented Thermoelectric Ionogels for Self-Powered Multimodal Medical Sensors"的研究論文。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系碩士研究生白雅馨為論文第一作者，該工作得到了上海市領(lǐng)軍項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。
論文聚焦于一種由經(jīng)典PVDF-HFP和離子液體[EMIM][TFSI]組成的離子凝膠。盡管該材料已廣泛應(yīng)用于離子熱電、壓電、儲(chǔ)能和功能涂層等領(lǐng)域，但過(guò)去的研究?jī)H限于單一功能的探索，未曾深入研究其多功能協(xié)同利用的可能性。受離子熱電特殊電容特性的啟發(fā)，該論文首次探討了材料壓電和離子熱電性能的疊加作用，提出并驗(yàn)證了"壓電增強(qiáng)離子熱電"的創(chuàng)新概念?；谶@種對(duì)雙參數(shù)高度敏感的特性，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種嵌入式、自供電、多模態(tài)感知的凝膠傳感器??可應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)景，分別搭載于動(dòng)脈導(dǎo)管和醫(yī)用負(fù)壓吸引海綿中，實(shí)現(xiàn)了臨床診療中對(duì)溫度、壓力和濕度的同步精確檢測(cè)。
這種離子凝膠的雙模態(tài)特性源于離子液體在溫度梯度下產(chǎn)生的離子熱電效應(yīng)，以及PVDF基骨架的壓電效應(yīng)。該研究首次深入探討了其"壓電增強(qiáng)離子熱電效應(yīng)（PE-augmented iTEs）"的科學(xué)機(jī)理，當(dāng)溫度梯度與壓力場(chǎng)同向建立時(shí)，不僅兩種效應(yīng)本身會(huì)產(chǎn)生電壓，壓電產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)還進(jìn)一步促進(jìn)陰、陽(yáng)離子的分化，使離子熱電勢(shì)呈現(xiàn)"1+1>2"的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。當(dāng)壓電內(nèi)電場(chǎng)與溫度梯度同向時(shí)，n-型熱電勢(shì)從–4.4 提升至最高–6.9 mV K–1；此外，凝膠中水的存在顯著增強(qiáng)離子輸運(yùn)，導(dǎo)致離子熱電勢(shì)受環(huán)境濕度影響，濕度越高，熱電勢(shì)越強(qiáng)。這種單一離子凝膠對(duì)溫度、壓力和濕度等環(huán)境參數(shù)的多維響應(yīng)，恰好契合臨床對(duì)多參數(shù)生命體征的傳感需求，尤其在創(chuàng)傷休克等緊急醫(yī)療場(chǎng)景中尤為關(guān)鍵。
基于材料的溫度–壓力雙參數(shù)靈敏特性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種分別以動(dòng)脈導(dǎo)管和醫(yī)用海綿為載體的離子凝膠傳感器。器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：將離子凝膠夾在兩片電極之間并連接導(dǎo)線，嵌入動(dòng)脈導(dǎo)管或醫(yī)用海綿的開孔，再用硅膠填充縫隙。通過(guò)建立豬出血性休克模型，全面驗(yàn)證了離子凝膠傳感器在實(shí)際生物體疾病發(fā)生過(guò)程中的多指標(biāo)監(jiān)測(cè)可行性。其中動(dòng)脈導(dǎo)管傳感器的溫度和壓力信號(hào)能準(zhǔn)確反映休克過(guò)程中的核心體溫變化和心率波動(dòng)；海綿傳感器則捕捉創(chuàng)口溫度、負(fù)壓吸引裝置（VSD）的壓力以及瞬時(shí)引流量等關(guān)鍵指標(biāo)。與傳統(tǒng)傳感器相比，離子凝膠傳感器不僅趨勢(shì)一致，且由于信號(hào)點(diǎn)更為密集，能呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)變化。這些成果展示了該技術(shù)在臨床領(lǐng)域的巨大潛力，尤其適用于當(dāng)前缺乏相關(guān)精密壓力、濕度、溫度監(jiān)測(cè)手段如VSD應(yīng)用中，具有非常重要的臨床價(jià)值與傳感器應(yīng)用的劃時(shí)代的意義。
