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西南交大楊維清、鄧維禮 AM：多級(jí)層狀結(jié)構(gòu)柔性壓電復(fù)合材料用于血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)

2024-04-08 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：多級(jí)層狀結(jié)構(gòu) 柔性壓電復(fù)合材料血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè) 靜電紡絲

心血管疾病(CVDs)，如冠心病、中風(fēng)、高血壓和心率失常等，已經(jīng)成為人類健康的頭號(hào)殺手之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年因心血管疾病死亡的人數(shù)約為1800萬(wàn)，占全球總死亡人口的30%以上。心血管疾病作為一種慢性病，具有患病周期長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)、根治困難等特點(diǎn)，其日常監(jiān)護(hù)預(yù)防對(duì)保護(hù)患者的生命安全至關(guān)重要。目前，血壓(BP)、心電信號(hào)(ECG)、超聲心動(dòng)圖是臨床上心血管疾病篩查和診斷的主要依據(jù)。然而，臨床所用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往體積龐大、價(jià)格昂貴且對(duì)醫(yī)生依賴程度高，難以實(shí)現(xiàn)患者日常的生理監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致了實(shí)際需求和現(xiàn)實(shí)條件之間的巨大鴻溝。近年來興起的柔性可穿戴電子器件突破了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的診斷局限性，為心血管疾病的智能監(jiān)測(cè)提供了新的思路。

近日，西南交通大學(xué)鄧維禮副教授和楊維清教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種層次結(jié)構(gòu)的柔性壓電復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了人體血流動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該研究通過程控靜電紡絲聯(lián)合熱壓技術(shù)構(gòu)建了多級(jí)層次化組裝的MXene/BN/P(VDF-TrFE)柔性壓電復(fù)合材料，克服了傳統(tǒng)壓電陶瓷材料硬脆的本征局限，實(shí)現(xiàn)了高壓電性和柔性的兼得。基于MXene與聚合物基體間的界面極化和BN對(duì)體相漏電流的抑制，壓電復(fù)合材料表現(xiàn)出高達(dá)41.67 pC N^-1的壓電電荷系數(shù)以及342.9 mV m N^-1的壓電電壓常數(shù)，所研制器件壓力響應(yīng)靈敏度高達(dá)39.3 mV kPa^-1，這些優(yōu)異的性能賦予了器件在可穿戴心血管監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。基于此，作者團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了器件在血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用。結(jié)果表明，該器件可實(shí)現(xiàn)血壓、局域脈沖波速、心搏出量等重要臨床心血管指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且精度與商業(yè)化傳感器件相當(dāng)。此外，作者團(tuán)隊(duì)研究了柔性壓電器件對(duì)血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的全天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分類判斷，為患者的實(shí)時(shí)生理狀態(tài)診斷提供了數(shù)據(jù)支撐。相關(guān)成果以“Hierarchical Piezoelectric Composites for Non-invasive Continuous Cardiovascular Monitoring”為題在線發(fā)表于《Advanced Materials》上(https://doi.org/10.1002/adma.202313612)，西南交通大學(xué)材料學(xué)院博士研究生田果為論文第一作者。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省自然科學(xué)基金以及中央高校基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。

圖1. 層次化壓電復(fù)合材料心血管監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)理念 (a) 人體心血管系統(tǒng)和傳感器監(jiān)測(cè)陣列示意圖；(b-c) 多層異質(zhì)壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖；(d) 柔性大尺寸壓電復(fù)合薄膜實(shí)物圖。

圖2. 層次化結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合材料壓電增強(qiáng)機(jī)理探索及器件性能表征 (a) 不同層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)極化性能示意圖；(b-c) 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電電荷系數(shù)、壓電電壓常數(shù)及極化強(qiáng)度；(d-e) BN納米片對(duì)材料內(nèi)部漏電流的抑制機(jī)制示意圖及不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的漏電流曲線；(f) 復(fù)合薄膜與商業(yè)PVDF壓電膜性能對(duì)比雷達(dá)圖；(g)復(fù)合材料內(nèi)部電流路徑模擬結(jié)果；(h-i) 壓電復(fù)合器件的響應(yīng)時(shí)間及壓力響應(yīng)靈敏度。

圖3. 心率及血壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析 (a-c) 壓電復(fù)合器件對(duì)橈動(dòng)脈的監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析；(e-f) 正常及心率失常患者的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及Poincare圖分析；(g-h) 改進(jìn)的袖帶法用于傳感器血壓監(jiān)測(cè)標(biāo)定；(i-j) 壓電復(fù)合材料器件和商業(yè)器件監(jiān)測(cè)血壓的Bland-Altman圖用于評(píng)估監(jiān)測(cè)精度；(k) 左臂和右臂橈動(dòng)脈血壓信號(hào)形狀因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖4. 壓電傳感陣列器件用于全天血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè) (a) 壓電復(fù)合材料柔性傳感陣列用于橈動(dòng)脈監(jiān)測(cè)實(shí)物圖及示意圖；(b) 陣列中不同傳感單元的壓電信號(hào)響應(yīng)；(c) 心血管循環(huán)系統(tǒng)的物理模型及等效電路示意圖；(d-f) 橈動(dòng)脈局域脈沖波速、每搏輸出量的分析；(g) 志愿者全天不同生理活動(dòng)下的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果；(h) 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的心血管生理參數(shù)分類。
研究團(tuán)隊(duì)通過程控靜電紡絲和熱壓技術(shù)構(gòu)筑了一種理性結(jié)構(gòu)的層狀異質(zhì)壓電復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的壓電增強(qiáng)機(jī)理和器件性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究和優(yōu)化，使得其傳感性能得到大幅度提升。同時(shí)，探索了器件在心血管血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，監(jiān)測(cè)精度與商業(yè)化器件相當(dāng)，驗(yàn)證了器件在日常監(jiān)測(cè)中的可行性，有望為心血管疾病的智能診斷和提早干預(yù)治療提供數(shù)據(jù)支撐。

原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202313612

作者簡(jiǎn)介：

田果，本文第一作者，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)閴弘娒舾胁牧霞肮δ芷骷?nbsp;。

鄧維禮，副教授/碩導(dǎo)，四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選，四川省海外高層次留學(xué)人才。長(zhǎng)期從事納米功能材料及柔性電子器件的基礎(chǔ)研究，近年來，在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy 等國(guó)際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 余篇，被引7000余次，相關(guān)研究成果獲授權(quán)發(fā)明專利10余件。主持國(guó)家自然科學(xué)基金NSAF聯(lián)合基金項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目、四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、四川省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)科研項(xiàng)目。

楊維清，教授/博導(dǎo)，西南交通大學(xué)前沿科學(xué)研究院院長(zhǎng)，從事能源信息材料與器件研究，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等國(guó)際著名刊物上發(fā)表SCI收錄論文共計(jì)240余篇，入選Elsevier高被引學(xué)者、Stanford-Elsevier全球全領(lǐng)域2%Top科學(xué)家；長(zhǎng)期擔(dān)任科技部重大研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目會(huì)評(píng)專家和國(guó)家科技獎(jiǎng)評(píng)審專家；科技成果轉(zhuǎn)化專利30余項(xiàng)，轉(zhuǎn)化經(jīng)費(fèi)3000余萬(wàn)元；擔(dān)任中國(guó)超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)；獲得教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、省“青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”、省杰出青年基金、省“QR計(jì)劃”創(chuàng)新人才。所做工作被美國(guó)國(guó)家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒體專題報(bào)道。

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