告别电池焦虑！纳米发电机如何为穿戴植入医疗设备“续航续命”
原文发表于《科技导报》2025年第19期《自驱动纳米发电机及其生物医学应用研究》。
你是否想过，未来的医疗设备能摆脱电池束缚，实现永久续航？纳米发电机正将这一愿景变为现实！穿戴式和植入式医疗设备对下一代个性化医疗至关重要，但电池容量有限、更换手术风险高、有毒物质泄漏等问题，长期困扰着患者。本文带你探索基于压电和摩擦电效应的纳米发电机，如何从材料设计到应用场景，为医疗设备“续航续命”。
穿戴式和植入式电子医疗设备是临床监测和治疗的核心工具，尤其对慢性病管理不可或缺。传统电池虽能供电，但硬度高、寿命短，更换需二次手术，并存在毒性风险，给患者带来身心负担。
近年来，自供电技术崛起，为解决这些难题提供了可行方案。随着纳米发电机在生物医疗体系广泛应用（图1），基于压电/摩擦电效应的自驱动器件展现出独特优势。
图1 纳米发电机在生物医学治疗和健康管理中的应用
本文概述压电纳米发电机（PENG）和摩擦纳米发电机（TENG）的结构原理，总结其材料进展与生物医学应用，并讨论未来挑战。
压电纳米发电机（PENG）基于压电效应，将机械应力转化为电能，制造简单且兼容人体运动能量收集。生物医用压电材料分三类：
1
生物无机材料，如氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅（PZT），压电性能优但机械耐受性差、易断裂，部分有生物毒性；
2
生物有机材料，如PVDF及其共聚物，柔韧性和生物相容性好，但输出性能较低；
3
复合压电材料，如ZnO/rGO/PVDF，结合有机与无机优势，提升机械和压电性能。
摩擦电纳米发电机（TENG）利用材料接触分离的电荷转移发电，结构灵活、输出高效。生物医用TENG要求低毒和生物相容性，常用金属-聚合物或聚合物-聚合物组合，如铝、金、PDMS、PTFE等。通过材料配对和表面纳米结构修饰，可大幅提升输出信号。
PENG适于高频振动能量收集，TENG则擅于捕捉人体低频运动（如胃肠蠕动）。两者均能将机械能转化为电能，为穿戴植入设备供电，在生物医学领域应用多样。
在穿戴设备上，它们能实时监测心率、血压，实现精准药物递送，并通过电刺激加速伤口愈合。
在植入式领域，可为心脏起搏器供能，避免电池更换手术，还能通过电刺激促进神经再生，为损伤修复提供新方案。
纳米发电机收集生物信息并供电，推动健康监测和生理调节，有望成为未来医疗核心动力源，助力个性化医疗。但这一新兴领域仍面临挑战：
1
植入设备需能源收集器柔性集成与小型化，在保证供能的同时减小体积重量；
2
提升能量转换效率和稳定性，优化材料与结构，以延长使用寿命；
3
加强生物安全性和持久性研究，确保临床应用可靠；
4
深化材料生化性能探索，结合临床实践推动创新。
本文作者：李晓烨、吕其英、王征、王琳
作者简介：李晓烨，华中科技大学同济医学院协和医院组织工程与再生医学研究中心，硕士研究生，研究方向为生物医学传感系统；王琳（通信作者），华中科技大学同济医学院协和医院组织工程与再生医学研究中心、华中科技大学同济医学院协和医院临床检验科，教授，研究方向为再生医学和肿瘤免疫。
文章来 源 ： 李晓烨, 吕其英, 王征, 等. 自驱动纳米发电机及其生物医学应用研究[J]. 科技导报, 2025, 43(19): 106−124 .
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