昆士蘭科技大學陳志剛教授課題組Chem. Eng.J: 熱電技術在醫療領域的應用：進展、挑戰和前景

第一作者：胡博軒，史曉磊

通訊作者：陳志剛

通訊單位：昆士蘭科技大學

【研究背景】

傳統的基于化石燃料的能源技術引發了嚴重的環境問題，如溫室氣體排放和水污染。為了解決這些問題，熱電技術（TEs）作為一種協助減少電力消耗的強大技術，在過去幾十年中引起了人們的極大關注。與其他可持續發電技術相比，TEs擁有許多獨特的優勢，如無活動部件、無噪音、使用壽命長、零排放和精確的溫度控制。因此，熱電材料和器件已被應用于固態冷卻、加熱和發電領域并非常適用于空間探索和生物醫療器械。近年來，TEs在醫學領域的應用受到的關注越來越多。

【綜述簡介】

昆士蘭科技大學陳志剛教授課題組總結了近年來先進的熱電技術在醫療領域的應用，相關成果發表于期刊Chemical Engineering Journal (DOI: 10.1016/j.cej.2022.135268)。這篇綜述旨在全面總結了最先進的醫用熱電器械的重大進展，并概述了原理、材料、設計、和結構等諸多方面。最后，我們指出了進一步改進醫用熱電設備的設計、性能和應用的當前挑戰和未來機遇。

要點1：現況概述

熱電設備（TEDs）可以被分為熱電發電設備（TEG）和熱電冷卻設備（TEC），TECs，通過施加直流電可以降低一側的溫度并增加另一側的溫度。通過改變電流的方向，TECs可以在冷卻和加熱模式之間切換。同時，與傳統壓縮機冷卻相比，TECs不使用氟利昂，這些因素使TECs比傳統壓縮機具有巨大優勢。而TEGs，展現出傳統發電技術不具備的靈活性、可靠性和適應性等獨特優勢。最近，TEDs已廣泛的應用于醫療。TECs集制冷和加熱于一體，可快速響應和降溫，可避免凍傷，便于在救護車上便攜使用或對身體受傷部位進行長期冷凍治療，而TEG可以支持生物醫學傳感器的運行，特別是可以搭配植入式醫療器械（IMDs）使用輔助或替代人體特定組織或器官的部分功能，進而提高生物醫學傳感器的便攜性。

圖1：目前對熱電發電設備（TEG）和熱電冷卻設備（TEC）的醫療應用的關鍵研究，包含了便攜式TEC頭盔，TEC脊髓冷卻器，TEC皮膚冷卻器，TEC眼睛冷卻器，可穿戴的TEGs，TEG頭盔和用于心臟起搏器的TEGs。

要點2：材料和器械

熱電材料可分為一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）材料。3D材料主要是塊狀半導體材料，2D熱電材料主要是熱電薄膜，1D熱電材料主要包括納米線和纖維，由于醫用TECs和TEGs需要高水平的設備性能和穩定性，1D和2D材料性能仍低于3D 材料且1D熱電材料合成技術不成熟因此醫用TEDs主要用到是3D材料。我們總結了不同的塊狀熱電材料在最近10年來所報道的性能。

熱電模塊可根據需要設計成不同類型的TED，可分為常規模塊、微型器件和柔性器件。常規模塊可分為雙腿模塊和單腿模塊，雙腿模塊又可分為π型、O型和Y型，其中π型熱電模塊更多的用于生物醫學應用。隨著集成電路和微電子系統的發展，微型TED適合集成在低能耗的生物傳感器內或作為植入式醫療TEC，用于更快地冷卻目標區域。除了性能之外，佩戴時的舒適性也是一個考慮因素，柔性TEDs在彎曲時不太可能在結構上受損，使其成為可穿戴醫用設備的良好選擇。

圖2：a）報道了最先進的塊狀熱電材料的ZT峰值。 b）兩種不同類型的單腿模塊。c) 微型熱電設備（TED）的示意圖。d) 柔性TED的示意圖。

要點3：醫用TECs

TECs可以用作許多不同的醫療用途，例如大腦冷卻器。在發生交通事故或心血管手術時，近 20% 的死者是因無法接受及時治療而死于大腦缺氧。傳統上，可以將冰袋放在頭上或將患者的頭部放在冷水中以達到目的。然而，這些方法存在制冷效率低、冰水和冰的儲存以及運輸困難等缺點，相比之下TEC頭盔可以在救護車中以直流電壓運行，從而為患者提供更快的急救。為了增加其佩戴的舒適性，可以采用柔性TED。如果運用于醫院等開放區域，而非救護車時，可以配合大型水冷設備，進一步增加TEC大腦冷卻器的功效，以有效提高患者的生存率。

圖3：a) 熱電冷卻器（TEC）頭盔的冷卻和加熱效果及其成品圖。 b) 不同功率下TEC頭盔的溫差（ΔT）。c) 使用水泵冷卻的TEC頭盔示意圖。 d) 不同電流下TEC頭盔冷側的溫度變化。

要點4：醫用TEGs

除了用于TECs以外，TED還可以作為TEGs用于醫療應用，例如植入式TEGs。隨著熱電技術的發展，TEG可以直接從人體溫度發電，這說明了使用TEG驅動植入式醫療設備的潛力。對于可植入TEGs，植入部位需要確保熱電模塊具有最大的ΔT。同時，作為植入設備，其的機械強度和生物兼容性也是需要考慮的。

圖4：a) 植入式熱電發電機（TEG）的概念圖。b) 不同植入位置的溫差（ΔT）。c) 不同環境溫度和不同傳熱系數下的ΔT。d) 不同血液灌注情況下的ΔT。e) 冷卻體表后的設備輸出電壓和ΔT。f) 借助升壓電路，設備輸出的電壓和ΔT。 g) 設備的電壓和功率輸出。h) 設備在不同級數下的電壓和功率輸出。

小結與展望

時至今日，熱電材料與器件在醫學領域的研究取得了令人矚目的進展，然而目前其存在的挑戰也比較嚴峻。其未來展望包括以下幾個方面：

1.研究先進的TE材料以進一步提高熱電性能。

2.通過優化器件設計，提高器件性能和穩定性。

3.優化散熱器等配件。

4.拓展TEDs的應用，與其他功能材料和裝置相結合。

【作者簡介】

胡博軒（第一作者）于 2020 年在昆士蘭大學入學碩士研究生，其主要的研究方向為熱電材料及器械的醫學應用，導師為陳志剛教授及史曉磊博士。目前已發表學術論文1篇（第一作者1篇）。

史曉磊（共同第一作者）澳大利亞昆士蘭科技大學研究員（2022.02-），昆士蘭大學和南昆士蘭大學榮譽研究員。于2008及2011年在北京科技大學分別取得材料學學士及碩士學位，于2012-2015年就職于清華大學摩擦學國家重點實驗室深圳微納研究室。2015年獲得澳大利亞國際留學生全額獎學金（IPRS）開始在昆士蘭大學攻讀材料工程博士，為2018年度國家優秀自費留學生獎學金獲得者，并于2019年獲得博士學位。2019至2021年于南昆士蘭大學進行博后工作。長期致力于高性能熱電材料與器件的研究，目前作為主要負責人承擔包括澳大利亞研究理事會（ARC Discovery Project 一項以及Linkage Project兩項）等多個科研項目。共指導3名博士研究生和9名碩士研究生，其中已畢業碩士研究生3名。為全球Top 2%科學家（截至2021年8月，Elsevier BV），共在Chem. Rev.，Prog. Mater. Sci.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.，Mater. Today，Adv. Funct. Mater.，Appl. Phys. Rev.，ACS Energy Lett.，ACS Nano，Adv. Energy Mater.，Energy Storage Mater.，Adv. Sci.，Nano Energy等國際學術期刊上發表論文111篇（影響因子10以上44篇），中國發明專利3項，其中以第一及通訊作者身份發表論文41篇，10篇被選為ESI高被引論文（前1%），2篇被選為Hot Paper（前1‰）。這些論文被Google Scholar引用達3600余次，H-index達到33。

鄒進教授現任澳大利亞昆士蘭大學的納米科學講席教授（Chair in Nanoscience），曾任澳大利亞電子顯微學會秘書長，及澳大利亞昆士蘭華人工程師與科學家協會副會長。鄒進教授目前的研究方向包括：半導體納米結構（量子點，納米線，納米帶，超簿納米片）的形成機理及其物理性能的研究；先進功能納米材料的形成及其高端應用，尤其在能源，環保和醫療中的應用；固體材料的界面研究。鄒進教授在 ISI 9（Web of Science） 刊物上已發表學術論文 650 多篇，其多數論文發表在國際知名刊物上并被引用 18,000次。鄒進教授目前承擔多項澳大利亞研究理事會的研究課題。

陳志剛教授，澳大利亞昆士蘭科技大學能源學科講席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials），昆士蘭大學和南昆士蘭大學榮譽教授。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究。2008年博士畢業后前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先后擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，榮譽教授，后轉入南昆士蘭大學擔任副教授（2016）和教授（2018）。目前是昆士蘭科技大學能源學科講席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials， 2021）。先后主持共計二千萬澳元的科研項目，其中包括8項澳大利亞研究委員會、1項澳大利亞科學院、2項州政府、10項工業項目和10項校級的科研項目。共指導17名博士生和15名碩士研究生，其中已畢業博士生9名和碩士生7名。在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、 Nat. Commun.、Chem. Rev. 、Prog. Mater. Sci.、 Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed. 等國際學術期刊上發表330余篇學術論文, 被SCI引用20，000余次，H-index達到73，是科睿唯安“高被引科學家”。