近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系碩士研究生白雅馨、梁子騏教授聯(lián)合海軍軍醫(yī)大二軍大第二附屬醫(yī)院骨科徐辰副教授、以及上海硅酸鹽所柏勝強(qiáng)研究員和陳立東研究員，攜手合作在Advanced Materials上發(fā)表了題為"Piezoelectric-Augmented Thermoelectric Ionogels for Self-Powered Multimodal Medical Sensors"的研究論文。

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、儲能和功能涂層等領(lǐng)域，但過去的研究僅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)場景，分別搭載于動脈導(dǎo)管和醫(yī)用負(fù)壓吸引海綿中，實(shí)現(xiàn)了臨床診療中對溫度、壓力和濕度的同步精確檢測。

研究亮點(diǎn)：多模態(tài)離子凝膠的機(jī)理探究與應(yīng)用場景開發(fā)

1）離子熱電與壓電協(xié)同機(jī)制：深入探討"壓電增強(qiáng)離子熱電效應(yīng)（PE-enhanced iTEs）"的科學(xué)機(jī)理，通過壓電內(nèi)電場有效提升離子熱電性能，同步顯著增強(qiáng)離子熱電勢和電導(dǎo)率。

2）多參數(shù)靈敏檢測性能：在體外心臟環(huán)境模擬測試中，展現(xiàn)出卓越且穩(wěn)定的信號檢測能力。離子凝膠在壓力和溫度變化中的最小靈敏度分別為0.13 mV kPa – 1和0.96 mV K – 1，且在血壓升高時(shí)溫度響應(yīng)信號可放大約3倍，與材料測試結(jié)果一致。

3）臨床醫(yī)療場景的應(yīng)用：通過在大型動物（豬）出血性休克模型中進(jìn)行凝膠傳感器的實(shí)驗(yàn)，成功展示了離子凝膠對多個(gè)生命體征（如血壓、心率、體表溫度、核心體溫及血液流失量）的實(shí)時(shí)精確檢測能力，充分驗(yàn)證了其在醫(yī)療傳感領(lǐng)域的巨大潛力。

圖文解析

該材料的雙模態(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)。當(dāng)溫度梯度與壓力場同向建立時(shí)，不僅兩種效應(yīng)本身會產(chǎn)生電壓，壓電產(chǎn)生的內(nèi)電場還進(jìn)一步促進(jìn)陰、陽離子的分化，使離子熱電勢呈現(xiàn)"1+1>2"的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。此外，凝膠中水的存在顯著增強(qiáng)離子輸運(yùn)，導(dǎo)致離子熱電勢受環(huán)境濕度影響，濕度越高，熱電勢越強(qiáng)。這種單一離子凝膠對溫度、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)療場景中尤為關(guān)鍵。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)應(yīng)力下，壓電內(nèi)電場增強(qiáng)了離子分化，有效離子濃度顯著提高，同時(shí)由于離子間作用力增強(qiáng)，擴(kuò)散系數(shù)隨之降低。這種離子輸運(yùn)行為的變化導(dǎo)致離子熱電勢和電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。當(dāng)壓電內(nèi)電場與溫度梯度同向時(shí)，n-型熱電勢從–4.4 提升至最高–6.9 mV K – 1；反向時(shí)則呈現(xiàn)相反趨勢，與上述預(yù)測吻合。通過摻雜離子凝膠的離子熱電–壓電效應(yīng)研究和壓力下的紅外透射光譜進(jìn)一步驗(yàn)證了這一機(jī)制。值得注意的是，該材料在不同環(huán)境中都展現(xiàn)出良好的熱電性能穩(wěn)定性，尤其是在水溶液環(huán)境中，熱電勢可達(dá)干燥狀態(tài)的約10倍，充分印證了其對環(huán)境濕度的敏感性。

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)了一種以動脈導(dǎo)管為載體的離子凝膠傳感器。器件結(jié)構(gòu)簡單：將離子凝膠夾在兩片電極之間并連接導(dǎo)線，嵌入動脈導(dǎo)管的小孔，再用硅膠填充縫隙。體外模擬測試在心臟環(huán)境模擬系統(tǒng)中進(jìn)行，通過外部電壓表檢測信號。信號可分為兩部分：隨人工瓣膜運(yùn)作的周期性電壓振幅（壓力信號）和波動平衡值的變化（溫度響應(yīng)）。與系統(tǒng)原有傳感器對比，離子凝膠傳感器在30–40 ℃溫度和60–160 mmHg壓力范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出優(yōu)異的線性響應(yīng)，最低靈敏度可達(dá)0.964 mV K – 1和0.133 mV kPa – 1。此外，壓力越大，溫度靈敏度越高的特性進(jìn)一步驗(yàn)證了前述研究發(fā)現(xiàn)。

最后，團(tuán)隊(duì) 通過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)生過程中的多指標(biāo)監(jiān)測可行性。除肺動脈導(dǎo)管傳感器外，為了展示其多用途的特性，還將其嵌入負(fù)壓吸引裝置（ VSD ）的醫(yī)用海綿中，用于監(jiān)測創(chuàng)面負(fù)壓狀態(tài)以及經(jīng)過海綿的出血引流情況，從而評估出血及血壓狀態(tài)。肺動脈導(dǎo)管傳感器的溫度和壓力信號能準(zhǔn)確反映休克過程中的核心體溫變化和心率波動；海綿傳感器則捕捉創(chuàng)口溫度、 VSD 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一致，且由于信號點(diǎn)更為密集，能呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)變化。當(dāng)心率降至極低時(shí)，傳統(tǒng)傳感器已無法繼續(xù)監(jiān)測，而離子凝膠傳感器仍能持續(xù)捕捉信號直至生命終止。在創(chuàng)口檢測方面，離子凝膠傳感器同樣精確地追蹤了溫度變化、引流系統(tǒng)壓力和出血量的動態(tài)。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。

總結(jié)與展望

此研究提出的離子凝膠技術(shù)，突破了傳統(tǒng)電子熱電材料的局限。憑借其卓越的生物相容性、自供能特性及多模態(tài)靈敏度，為醫(yī)療傳感領(lǐng)域提供了富有顛覆性的創(chuàng)新解決方案。該成果不僅為臨床醫(yī)療傳感器的設(shè)計(jì)開辟了全新思路，還充分彰顯了離子材料在多功能應(yīng)用中的巨大發(fā)展?jié)摿ΑＮ覀兤诖@項(xiàng)技術(shù)能夠在可預(yù)見的未來快速推廣，并在更廣闊的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域綻放異彩。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202414663

來源：高分子科學(xué)前沿

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