中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系梁子騏團隊聯(lián)合長征醫(yī)院骨科徐辰副教授以及上海硅酸鹽所柏勝強研究員和陳立東院士在Advanced Materials上發(fā)表了題為"Piezoelectric-Augmented Thermoelectric Ionogels for Self-Powered Multimodal Medical Sensors"的研究論文。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系碩士研究生白雅馨為論文第一作者，該工作得到了上海市領(lǐng)軍項目、國家自然科學(xué)基金項目等經(jīng)費支持。
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，提出并驗證了"壓電增強離子熱電"的創(chuàng)新概念?；谶@種對雙參數(shù)高度敏感的特性，研究團隊成功開發(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)用于多個場景，分別搭載于動脈導(dǎo)管和醫(yī)用負壓吸引海綿中，實現(xiàn)了臨床診療中對溫度、壓力和濕度的同步精確檢測。
這種離子凝膠的雙模態(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)。該研究首次深入探討了其"壓電增強離子熱電效應(yīng)（PE-augmented iTEs）"的科學(xué)機理，當溫度梯度與壓力場同向建立時，不僅兩種效應(yīng)本身會產(chǎn)生電壓，壓電產(chǎn)生的內(nèi)電場還進一步促進陰、陽離子的分化，使離子熱電勢呈現(xiàn)"1+1>2"的協(xié)同增強效應(yīng)。當壓電內(nèi)電場與溫度梯度同向時，n-型熱電勢從–4.4 提升至最高–6.9 mV K–1；此外，凝膠中水的存在顯著增強離子輸運，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。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。
基于材料的溫度–壓力雙參數(shù)靈敏特性，團隊設(shè)計了兩種分別以動脈導(dǎo)管和醫(yī)用海綿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)管或醫(yī)用海綿的開孔，再用硅膠填充縫隙。通過建立豬出血性休克模型，全面驗證了離子凝膠傳感器在實際生物體疾病發(fā)生過程中的多指標監(jiān)測可行性。其中動脈導(dǎo)管傳感器的溫度和壓力信號能準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、負壓吸引裝置（VSD）的壓力以及瞬時引流量等關(guān)鍵指標。與傳統(tǒng)傳感器相比，離子凝膠傳感器不僅趨勢一致，且由于信號點更為密集，能呈現(xiàn)更多細節(jié)變化。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值與傳感器應(yīng)用的劃時代的意義。
