Adv. Mater.：診斷心血管疾病的自驅動脈博傳感器

【引言】

心血管疾病是全球目前導致死亡率最高的疾病之一。長久以來心血管疾病患者一直飽受恐懼和折磨。幸運的是，目前90%的心血管疾病可以通過長期的與心血管系統相關的生理信號檢測得到預防。目前用于的生理信號原位監測的器件質量和性能參差不齊，雖然可以達到一定的效果，但設備無法長久使用需要定期更換供電系統。尤其是設備小型化導致的電源供應的減少讓靈敏度和功耗之間的矛盾愈加突出。相較于目前大量的研究工作聚焦于尋求功耗與靈敏度之間的平衡，自驅動主動式傳感技術的提出為解決這一矛盾提供了新的方案，它可以將機械振動信號直接化為電信號從而解決功耗和靈敏度的矛盾，實現無功耗高靈敏度的自驅動傳感。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李舟研究員（通訊作者）和王中林院士（通訊作者）領導的聯合科研團隊，與北京安貞醫院和朝陽醫院范一帆（通訊作者）、孫廣龍兩位心血管疾病專家合作開展研究工作，共同研發出無需信號放大就可藍牙傳輸、針對心血管疾病進行預警和診斷的自驅動超高靈敏脈搏傳感器（SUPS）。SUPS是基于摩擦發電的主動式傳感器，可輸出電壓1.52V，具有很高的峰值信號與噪聲比（45dB），是醫用光電傳感器的10倍，在工作一千萬次循環后仍有很好的輸出特性，且制備成本很低，只有醫用光電傳感器的1/5。SUPS相比傳統的需要供電的PPG（光電脈搏傳感器）、PPT（壓電脈搏傳感器）等脈搏傳感器，能夠獲得更多的脈搏波的細節信號。SUPS輸出的脈搏波形信號與傳統設備所獲取信號的二階導數成正比，這使得我們在無需額外復雜電路設計或邏輯運算的情況下便可很容易分析脈搏信號。SUPS輸出電壓高，無需信號放大器就可以和藍牙芯片一起集成，可實現脈搏信號的無線傳輸，并實現在智能手機/電腦上的可視化顯示與分析。利用該脈搏傳感系統，研究人員對健康成人組和一系列患者組進行了對比試驗，成功的實現了對心律失常（房顫）的提示性診斷及對冠心病、房間隔缺損的鑒別性診斷。SUPS有望在未來實現心血管疾病的自驅動可穿戴智能移動診斷。該成果以“Self-Powered Pulse Sensor for Antidiastole of Cardiovascular Disease”為題，發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 SUPS的結構、工作原理、柔性及其脈博信號輸出情況

(a)SUPS的結構圖

(b,c) Cu和Kapton薄膜上納米結構的SEM和AFM圖像（標尺，1um）

(d) SUPS結構及其工作原理

(e) 表征SUPS具有良好柔韌性的圖片

(f) SUPS的尺寸大小為2cm×1cm

(g,h) 當SUPS放在手指和橈動脈上的實時信號輸出

圖2 當改變SUPS摩擦層表面結構時其電輸出的測量結果

(a) 線性馬達驅動的具有不同表面結構的SUPS的輸出電壓、電流、轉移電荷量

(b) 將具有不同的表面結構的SUPS貼附在橈動脈上，其輸出的電壓、電流、轉移電荷量

(c) 左圖：蜜蜂在SUPS上的光學圖片，右圖：在蜜蜂翅膀煽動下（頻率~200Hz），示波器實時測量的SUPS輸出信號

(d) 超高頻率（10KHz）下SUPS的輸出電壓信號

(e) SUPS的穩定性測試

圖3 與ECG相比較SUPS, PPT, PPG的脈博信號測量結果及其線性擬合分析

(a) ECG, SUPS, PPT, PPG 脈博傳感器的工作信號比較

通過R-R間隔分析SUPS(b), PPT(c), PPG(d)和ECG的線性關系

圖4 用SUPS進行案例分析

(a,f)? 健康案列的特征點分布和Poincare圖

(b,g) CHD的特征點分布和Poincare圖

(c,h) ASD的特征點分布和Poincare圖

(d,i) AF的特征點分布和Poincare圖

(e,j)健康案例和心血管疾病案例之間的比較，散點圖和Poincare圖

(k) 心臟收縮的舒張下IABP（主動脈內球囊反搏）的工作原理

(i) 不同IABP（主動脈內球囊反搏）工作模式下病人的橈動脈信號

圖5 健康人和心血管病人的心率改變、LV輸出能力和動脈僵硬度之間的比較

利用時域統計分析進行HRV分析，通過(a)SDNN指數；(b)RMSSD指數；(c)PNN50指數；(d)HR（心率）。動脈僵硬度分析評估通過(e)SI，(h)SL_cf。左心房的負荷和輸出能力分析通過(f)Alx和(g) c/e。

圖6 在不同的動脈位置和鍛煉時的信號輸出改變，硬件示意圖和結合大數據、云計算技術的無線脈搏傳感系統示意圖

(a) 橈動脈上貼兩個SUPS（距離5cm）的脈沖信號輸出

(b,c) 運動前與運動后的橈動脈SUPS的信號輸出及PWV（脈搏波傳播速率）的變化對比。

(d) 無線脈博傳感系統的模塊方塊圖

(e) 貼在橈動脈不同位置的SUPS的脈沖信號輸出

(f) 在坐和站立時的心率改變

(g) 基于SUPS的無線健康監測系統圖

(h) 智能手機監測系統圖

【小結】

文章介紹了一種超高靈敏度脈博傳感器，可以將人體脈博信號轉化為電信號輸出。SUPS具有自驅動、超高靈敏度、價格實惠等特點及優越的輸出性能。此外SUPS可以在不需要復雜的電路設計或邏輯運算的情況下直接得到可以便于分析的電壓信號。SUPS在診斷心血管疾病方面已經被證實具有重要作用。PWV可以通過同時用兩個SUPS測量得到，可以用來分析動脈硬化程度。同時,基于SUPS設計的心血管健康監測系統，有望實現心血管疾病的自驅動柔性可穿戴智能移動監測，為通過長期監測生理脈搏信號來防治心血管疾病提供了一條新的途徑。

文獻連接：Self-Powered Pulse Sensor for Antidiastole of Cardiovascular Disease（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201703456）

【研究團隊介紹】

中國科學院北京納米能源與系統研究所納米能源與生物系統實驗室，團隊在王中林所長的領導下主要從事納米能源技術在生物醫學領域的創新性研究，負責人為李舟研究員。李舟研究員曾獲教育部新世紀優秀人才和北京市科技新星及入選北京市高創人才計劃。主要從事微納能源與器件、植入式器件以及生物材料的研究，探索新型微納傳感技術與生物測量方法。近五年內在Science Advances（Science子刊），Adv. Mater, Nano Letters，ACS Nano，J. Biomed. Nanotechnol 等國際頂級學術期刊上共發表SCI文章30余篇，引次數超過800次，2012年獲得國際醫學與生物工程聯合會（IFMBE）的“青年研究者獎”。主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金、教育部博士點基金和北京市人才項目等多項基金課題，并參與科技部、國家自然基金、北京市科技課題等多項課題。

團隊在該領域工作匯總

該團隊長期從事新型植入式/可穿戴自驅動電子醫療器件研究。植入式/可穿戴電子醫療器件的兩大發展趨勢，其中之一是微型化，而微型化最大的困難就是能源的長期供給與功能復雜化之后能耗不斷升高之間的矛盾。基于納米發電機（Nanogenerator）的自驅動技術有可能成為解決植入式電/可穿戴子醫療器件在體能源供給問題的關鍵。納米發電機是王中林院士于2006年最早提出來的，是指利用壓電氧化鋅納米線陣列將隨機的機械能轉化為電能的微納器件。現在除了壓電納米發電機（Piezoelectric nanogenerator, PENG），還有摩擦電納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）和復合壓電和摩擦電的復合納米發電機（Hybrid nanogenerator & Piezo-triboelectric nanogenerator, PTNG），可以在更加廣闊的應用領域將無規則的機械能轉換為電能，對于收集環境中的隨機能量來說是非常理想的。

該團隊從07年開始研制植入式納米發電機（Implantable nanogenerators），進行體內機械能的收集和轉換，并在國際上首先采用單根氧化鋅納米線的柔性納米發電機實現了活體動物呼吸運動和心臟搏動的機械能收集（Adv. Mater. 2010, 22, 2534–2537），并于2014-2016年期間在植入式納米發電機領域取得多項突破：1）植入式納米發電機的體內發電功率有巨大提升，電壓和電流分別達到14 V和5μA（ACS Nano 2016, 10, 6510?6518）；2）第一次實現了體內機械能的收集與存儲，并可利用收集的電能驅動心臟起搏器原型機控制動物心臟跳動頻率（Adv. Mater. 2014, 26, 5851–5856；Adv. Mater. 2016, 28, 846–852），也可以驅動紅外器件促進骨愈合和牙齒修復（ACS Nano 2015,9, 8, 7867-7873）；3）第一次實現了自驅動心臟監測數據的實時采集和無線傳輸，驗證了植入式自驅動醫療監護系統的臨床應用（ACS Nano 2016, 10, 6510?6518; Nano Lett. 2016, 16, 6042?6051），及基于摩擦納米發電機的超靈敏主動式脈搏傳感器在心血管疾病診斷上的可行性（Advanced Materials. 10.1002/adma.201703456）。

本研究方向的目標是生命驅動的納米醫療電子器件：通過納米發電機等機械能收集器件，將人體運動的能量轉換為電能，驅動植入式/可穿戴電子醫療器件長期、穩定的在體工作，實現人體自供能的醫療和傳感。

植入式電子醫療器件的另一發展趨勢，是可降解電子醫療器件，其獨特的醫療性能、生物相容性與可降解特性，使其在植入人體內完成治療工作后，可自行分解、消失，無需手術取出，也不會產生異物殘留。這種降解特性將極大的提高患者的接受程度，減少二次手術的痛苦和風險，同時也對器件的制作特別是能源供給方式提出了極高的要求。

2016年，該團隊在Science的子刊Science Advances發表論文（Sci. Adv. 2016; 2 : e1501478），介紹了一種具有電荷分離與驅動能力的生物降解納米發電機（Biodegradable nanogenerator，BD-TENG）可在體內產生電能，并成為全可降解的納米醫療電子器件的能源部分。我們驗證了基于BD-TENG的納米醫療器件可以控制細胞定向生長和排列，并具有促進神經修復的能力，這對植入式可降解醫療器件的研發具有重要意義，未來的應用前景非常廣闊。

本研究方向的目標是植入式可控降解納米醫療器件和傳感器，能一定時間內在體完成治療、修復、探測、傳感和監護等醫療功能，并可在完成使命后可控降解吸收，實現植入后一站式醫療和完全無殘留。

該團隊在自驅動醫療電子器件上的系列研究工作受到學術界的廣泛關注，并應邀在著名學術期刊Advanced Science發表綜述文章“Recent Progress on Piezoelectric and Triboelectric Energy Harvesters in Biomedical Systems”介紹相關能量收集器件在生物醫療電子領域的最新進展。以及在Annual Review of Biomedical Engineering發表綜述文章“Energy Harvesting from the Animal/Human Body for Self-Powered Electronics”介紹應用于自驅動電子器件的能量收集技術的最新進展。

實驗室相關論文推薦

1）Ouyang H, Tian J, Sun G, et al. Self‐Powered Pulse Sensor for Antidiastole of Cardiovascular Disease[J]. Advanced Materials, 2017.

2) Dagdeviren C, Li Z, Wang Z L. Energy harvesting from the animal/human body for self-powered electronics[J]. Annual Review of Biomedical Engineering, 2017, 19(1).

3) Zheng Q, Shi B, Li Z, et al. Recent Progress on Piezoelectric and Triboelectric Energy Harvesters in Biomedical Systems[J]. Advanced Science, 2017.

4) Zheng Q, Zou Y, Zhang Y, et al. Biodegradable triboelectric nanogenerator as a life-time designed implantable power source[J]. Science advances, 2016, 2(3): e1501478.

5) Ma Y, Zheng Q, Liu Y, et al. Self-Powered, One-Stop, and Multifunctional Implantable Triboelectric Active Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring[J]. Nano Letters, 2016, 16(10): 6042-6051.

6) ? Zheng Q, Zhang H, Shi B, et al. In Vivo Self-Powered Wireless Cardiac Monitoring Via Implantable Triboelectric Nanogenerator[J]. ACS nano, 2016.

7) Zheng Q, Jin Y, Liu Z, et al. Robust Multilayered Encapsulation for High-Performance Triboelectric Nanogenerator in Harsh Environment[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703.

8) Qiang Zheng，Bojing Shi，Fengru Fan，Xinxin Wang，Ling Yan， Weiwei Yuan，Sihong Wang，Hong Liu，Zhou Li* and Zhong Lin Wang*，In Vivo Powering of Pacemaker by Breathing-Driven Implanted Triboelectric Nanogenerator, Advanced Materials, 2014.

9) ? Bojing Shi, QiangZheng, Wen Jiang, Ling Yan, Xinxin Wang, Hong Liu, Yan Yao, Zhou Li*, & Zhong LinWang*, Packaged self-powered system with universal connectors based on hybridized nanogenerators, Advanced Materials. 2015.

10) Tang, W., Tian, J., Zheng, Q., Yan, L., Wang, J., Zhou Li* & Wang, Z. L.* Implantable Self-Powered Low-Level Laser Cure System for Mouse Embryonic Osteoblasts’ Proliferation and Differentiation. ACS nano, 9(8), 7867-7873. 2015.

11) Zhao L, Zheng Q, Ouyang H, et al. A size-unlimited surface microstructure modification method for achieving high performance triboelectric nanogenerator[J]. Nano Energy, 2016, 28: 172-178.

本文由材料人電子電工學術組王嬋供稿，材料牛整理編輯。

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