Advanced Materials丨“压电增强热电”离子凝胶及多模态自供电医疗传感器应用

学术 2024-12-18 14:30 四川

近日，复旦大学材料科学系硕士研究生白雅馨、梁子骐教授联合海军军医大学第二附属医院骨科徐辰副教授、以及上海硅酸盐所柏胜强研究员和陈立东研究员，携手合作在Advanced Materials上发表了题为Piezoelectric-Augmented Thermoelectric Ionogels for Self-Powered Multimodal Medical Sensors 的研究论文。

论文聚焦于一种由经典PVDF-HFP和离子液体[EMIM][TFSI]组成的离子凝胶。尽管该材料已广泛应用于离子热电、压电、储能和功能涂层等领域，但过去的研究仅限于单一功能的探索，未曾深入研究其多功能协同利用的可能性。受离子热电特殊电容特性的启发，该论文首次探讨了材料压电和离子热电性能的叠加作用，提出并验证了"压电增强离子热电"的创新概念。基于这种对双参数高度敏感的特性，研究团队成功开发了一种嵌入式、自供电、多模态感知的凝胶传感器可应用于多个场景，分别搭载于动脉导管和医用负压吸引海绵中，实现了临床诊疗中对温度、压力和湿度的同步精确检测。

研究亮点：多模态离子凝胶的机理探究与应用场景开发

1）离子热电与压电协同机制：深入探讨"压电增强离子热电效应（PE-enhanced iTEs）"的科学机理，通过压电内电场有效提升离子热电性能，同步显著增强离子热电势和电导率。

2）多参数灵敏检测性能：在体外心脏环境模拟测试中，展现出卓越且稳定的信号检测能力。离子凝胶在压力和温度变化中的最小灵敏度分别为0.13 mV kPa^–1和0.96 mV K^–1，且在血压升高时温度响应信号可放大约3倍，与材料测试结果一致。

3）临床医疗场景的应用：通过在大型动物（猪）出血性休克模型中进行凝胶传感器的实验，成功展示了离子凝胶对多个生命体征（如血压、心率、体表温度、核心体温及血液流失量）的实时精确检测能力，充分验证了其在医疗传感领域的巨大潜力。

图文解析

该材料的双模态特性源于离子液体在温度梯度下产生的离子热电效应，以及PVDF基骨架的压电效应。当温度梯度与压力场同向建立时，不仅两种效应本身会产生电压，压电产生的内电场还进一步促进阴、阳离子的分化，使离子热电势呈现"1+1>2"的协同增强效应。此外，凝胶中水的存在显著增强离子输运，导致离子热电势受环境湿度影响，湿度越高，热电势越强。这种单一离子凝胶对温度、压力和湿度等环境参数的多维响应，恰好契合临床对多参数生命体征的传感需求，尤其在创伤休克等紧急医疗场景中尤为关键。

团队发现，在静态应力下，压电内电场增强了离子分化，有效离子浓度显著提高，同时由于离子间作用力增强，扩散系数随之降低。这种离子输运行为的变化导致离子热电势和电导率发生显著变化。当压电内电场与温度梯度同向时，n-型热电势从–4.4 提升至最高–6.9 mV K^–1；反向时则呈现相反趋势，与上述预测吻合。通过掺杂离子凝胶的离子热电–压电效应研究和压力下的红外透射光谱进一步验证了这一机制。值得注意的是，该材料在不同环境中都展现出良好的热电性能稳定性，尤其是在水溶液环境中，热电势可达干燥状态的约10倍，充分印证了其对环境湿度的敏感性。

基于材料的温度–压力双参数灵敏特性，团队设计了一种以动脉导管为载体的离子凝胶传感器。器件结构简单：将离子凝胶夹在两片电极之间并连接导线，嵌入动脉导管的小孔，再用硅胶填充缝隙。体外模拟测试在心脏环境模拟系统中进行，通过外部电压表检测信号。信号可分为两部分：随人工瓣膜运作的周期性电压振幅（压力信号）和波动平衡值的变化（温度响应）。与系统原有传感器对比，离子凝胶传感器在30–40 ℃温度和60–160 mmHg压力范围内均呈现出优异的线性响应，最低灵敏度可达0.964 mV K^–1和0.133 mV kPa^–1。此外，压力越大，温度灵敏度越高的特性进一步验证了前述研究发现。

最后，团队通过建立猪出血性休克模型，全面验证了离子凝胶传感器在实际生物体疾病发生过程中的多指标监测可行性。除肺动脉导管传感器外，为了展示其多用途的特性，还将其嵌入负压吸引装置（VSD）的医用海绵中，用于监测创面负压状态以及经过海绵的出血引流情况，从而评估出血及血压状态。肺动脉导管传感器的温度和压力信号能准确反映休克过程中的核心体温变化和心率波动；海绵传感器则捕捉创口温度、VSD压力以及瞬时引流量等关键指标。与传统传感器相比，离子凝胶传感器不仅趋势一致，且由于信号点更为密集，能呈现更多细节变化。当心率降至极低时，传统传感器已无法继续监测，而离子凝胶传感器仍能持续捕捉信号直至生命终止。在创口检测方面，离子凝胶传感器同样精确地追踪了温度变化、引流系统压力和出血量的动态。这些成果展示了该技术在临床领域的巨大潜力，尤其适用于当前缺乏相关精密压力、湿度、温度监测手段如VSD应用中，具有非常重要的临床价值与传感器应用的划时代的意义。

总结与展望

此研究提出的离子凝胶技术，突破了传统电子热电材料的局限。凭借其卓越的生物相容性、自供能特性及多模态灵敏度，为医疗传感领域提供了富有颠覆性的创新解决方案。该成果不仅为临床医疗传感器的设计开辟了全新思路，还充分彰显了离子材料在多功能应用中的巨大发展潜力。我们期待这项技术能够在可预见的未来快速推广，并在更广阔的生物医学领域绽放异彩。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202414663

制版人：十一

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

BioART战略合作伙伴

（*排名不分先后）

BioART友情合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArtMED

BioArt姊妹号。关注医学最前沿，提高科学新认知，聚焦人类大健康。

最新文章

Immunity综述丨肥大细胞可作为联系神经-免疫的“信号转换器”

Nat Commun + Cell Discovery | 李湘盈课题组揭示纯红细胞再生障碍病理机制并应用于新型细胞治疗开发

Cell Rep | 木良善/刘真/黄学锋合作揭示人类低质量胚胎的“逆袭”之旅

Cell Reports丨杨永广/刘文涛团队揭示定居巨噬细胞抑制抗肿瘤免疫的新机制

PNAS丨傅雄飞团队通过定量合成生物学研究揭示生物“迁徙淘汰”病毒新机制

Advanced Materials丨“压电增强热电”离子凝胶及多模态自供电医疗传感器应用

TCR-T与T细胞免疫方向，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（上海生物化学与细胞生物学研究所）赵祥课题组招聘博士后

湖南大学生物学院罗宵/信科院曾湘祥教授联合招聘“AI+Genomics方向”博士后

Cancer Cell 评论| 液体活检技术进展

Blood丨朱平/杨文钰/ Bertie Gottgens合作揭示儿童急性髓系白血病单细胞水平克隆演化及表观调控机制

JEM丨高大兴课题组发现宿主抗病毒新机制

JCI丨探秘血压昼夜节律调控的新机制——PRDM16

JCB丨郑莉灵/周以侹阐明核内无膜细胞器与核蛋白凝聚的调控模式

STTT丨曹丹、赵成建、田伯乐团队发表原创性临床研究论文，精准预测进展期胰腺癌免疫治疗的获益人群

复旦大学脑科学转化研究院31个独立课题组欢迎有志青年的加盟

首都医科大学附属北京朝阳医院杨旗教授课题组博后招聘

Nature Medicine丨年度回顾：将影响2025年医学的11项重磅临床试验

Science | 阿尔茨海默病患病风险男女有别的机制

Nat Commun | 刘剑峰/张岩合作揭示代谢型谷氨酸受体复合体定向不对称激活机制

Sci Adv丨周程沛/钱济先/郭征/高全有开发了一种仿生水凝胶，以改善成骨微环境，促进成骨和成血管耦合

J Exp Med | Ling Guang Sheng/薛瑞栋合作揭示中性粒细胞降低肝癌免疫敏感性机制

JAMA Network Open丨张哲团队揭示扁桃体或腺样体切除术与青少年心理疾病风险的关联

南京大学现代生物研究院肠道粘膜免疫及相关疾病发病机制实验室熊理凤课题组招聘

四川省医学科学院·四川省人民医院面向全球诚聘部分临床学科科主任、科副主任

NEJM丨产前cfDNA测序和孕产妇癌症的偶然发现

Nature｜干细胞样CD4+T细胞的分化控制抗肿瘤免疫

Diabetes丨FAM210A可缓解肥胖引发的脂肪肝、脂肪炎症、系统性糖耐受及胰岛素抵抗等代谢紊乱

CMI丨陆前进团队发现系统性红斑狼疮全新发病机制

Oncogene丨钟理等揭示靶向RBM39可抑制骨肉瘤生长并增强顺铂治疗敏感性

乐敏课题组解析禽特异沙门菌适应性遗传演化规律

浙江大学生命科学研究院周琦课题组招聘博士后、科研助理

复旦大学附属中山医院内分泌代谢病研究所李小英课题组博士后招聘公告

Cancer Discovery丨BBO-8520，一款同类首创GTP/GDP结合KRAS^G12C的直接共价双重抑制剂

Cell｜微生物负荷会干扰肠道菌群和疾病关联研究

Sci Adv | 揭秘胶质瘤“攻防战”：陈亮/刘宝辉/顾颖揭示肿瘤区域异质性与双靶点精准治疗策略

Adv Sci丨王玉刚/郭雨松课题组合作报道哺乳动物细胞内蛋白质共翻译修饰的现象及机制

Adv Sci丨黄建安/刘泽毅/卫林团队揭示碳青霉烯耐药鲍曼不动杆菌的致病新机制

乐敏课题组揭示人兽共患沙门菌的多维动态规律和关键控制点

中国医学科学院阜外医院宋江平教授课题组和中国农业大学生物学院吴森教授课题组的联合招聘

2025良渚实验室全球招募诚邀海内外优秀人才加盟

NEJM丨侯金林携同国内外研究团队发布乙肝治愈新策略研究成果

Cell丨降低酯化APOE与LDLR的结合可以缓解阿尔兹海默症

Nat Commun | 刘争团队发现鼻息肉中CD8+T细胞调控中性粒细胞炎症的新机制

Blood Adv/Leukemia | 王建祥/王迎/邱少伟/顾闰夏团队在CAR-T治疗领域取得系列新进展

Cancer Res丨郑桐森/邰升/肖云联合揭示胆道癌不同解剖亚型中特异性的T细胞特征

Oncogene丨焦保卫团队发现EGFR的分子胶降解剂

首都医科大学宣武医院葛献鹏团队诚聘博士后

浙江大学医学院附属第二医院大肠外科招聘

Science | 脑畸形可能是“伴侣病”：TRiC伴侣蛋白功能受损可致脑畸形和癫痫

Cell Stem Cell丨利用类器官和多组学技术构建人类神经系统形态发生素图谱

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉