中科院纳米能源所李舟研究员团队等：一种基于压电和摩擦电复合效应的柔性自成拱生物传感器

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目前，心血管疾病已经逐渐成为威胁全世界人类健康的最主要因素之一，慢性心血管疾病由于病发时间较短，病人大多数时间都是健康状态，常规心电检测很难捕获心血管突发性的异常，因此很难做到入院监护。随着物联网技术与信息化的不断进步，发展基于远程医疗的家庭和个人监护，降低入院监护治疗的成本，具有重要的社会意义。在远程医疗监护系统中，能够起到实时生理监测作用的可穿戴式电子设备是将人体健康状态可视化的关键部分，研发具有高灵敏度，高稳定性，高便捷性与长时效性的实时生理健康监测装置也是推动远程医疗发展的关键所在。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员的科研团队致力于自驱动远程实时健康监测的相关研究，在前期系列研究成果的基础上（Semiconductor Science and Technology, 2017, 32(6): 064004.; Advanced Materials, 2017, 29(40): 1703456.; Journal of Materials Chemistry B, 2020, 8(16): 3647-3654.），近期在该研究方向取得了新进展，开发了一种基于压电和摩擦电复合效应的柔性自成拱贴片式生物传感器（SANG），相关成果以“A flexible self-arched biosensor based on combination of piezoelectric and triboelectric effects”为题发表在Applied Materials Today（DOI: 10.1016/j.apmt.2020.100699）上。

柔性自成拱生物传感器的结构及制备原理示意图

纳米发电机可以将机械能转化为电能，无需外部电源，可作为主动式传感器，特别适合用于检测人体的生理信号，如脉搏等。传统的带有支撑结构的摩擦纳米发电机，大多使用垫片或者弹簧作为支撑结构，这可能会增加器件结构的复杂性与制造难度，影响器件的稳定性和耐久性。该工作中，巧妙地利用了工业制造中常见的复合材料间的应力不匹配现象，将其用于形成天然的拱形结构，来替代传统摩擦纳米发电机中的支撑结构，大大简化了制备工艺，并一定程度上提高了器件的稳定性与耐久性。这种自成拱结构的形貌可以通过调节两种高分子材料（聚二甲基硅氧烷PDMS与铂催化硅橡胶Ecoflex）的质量比来轻松调控，以适配相应的传感器结构。在与摩擦电单元和压电单元相结合后，这种复合式的柔性自成拱贴片式生物传感器SANG被证明可用于人体的脉搏生理信号监测，所获取的脉搏信号具有良好的稳定性与足够的强度，可以清晰地分辨出男女脉搏信号间的差异。

该工作为生理信号传感器，特别是微机械信号传感器的制备提供了一种新思路，大大简化了传统的加工制备工艺，为批量化生产生理信号传感器带来了可能，有望推动远程医疗监护的进一步发展。本文第一作者为中科院北京纳米能源与系统研究所博士生邹洋和上海电力大学硕士生廖静文；通讯作者为中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、上海电力大学郑莉教授和北京航空航天大学石波璟特聘副研究员。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100699

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