西南交大杨维清、邓维礼 AM：多级层状结构柔性压电复合材料用于血流动力学监测

2024-04-08 来源：高分子科技

心血管疾病(CVDs)，如冠心病、中风、高血压和心率失常等，已经成为人类健康的头号杀手之一。据世界卫生组织统计，每年因心血管疾病死亡的人数约为1800万，占全球总死亡人口的30%以上。心血管疾病作为一种慢性病，具有患病周期长、隐蔽性强、根治困难等特点，其日常监护预防对保护患者的生命安全至关重要。目前，血压(BP)、心电信号(ECG)、超声心动图是临床上心血管疾病筛查和诊断的主要依据。然而，临床所用监测系统往往体积庞大、价格昂贵且对医生依赖程度高，难以实现患者日常的生理监测，导致了实际需求和现实条件之间的巨大鸿沟。近年来兴起的柔性可穿戴电子器件突破了传统医学的诊断局限性，为心血管疾病的智能监测提供了新的思路。

近日，西南交通大学邓维礼副教授和杨维清教授团队开发了一种层次结构的柔性压电复合材料实现了人体血流动力学的实时监测。该研究通过程控静电纺丝联合热压技术构建了多级层次化组装的MXene/BN/P(VDF-TrFE)柔性压电复合材料，克服了传统压电陶瓷材料硬脆的本征局限，实现了高压电性和柔性的兼得。基于MXene与聚合物基体间的界面极化和BN对体相漏电流的抑制，压电复合材料表现出高达41.67 pC N^-1的压电电荷系数以及342.9 mV m N^-1的压电电压常数，所研制器件压力响应灵敏度高达39.3 mV kPa^-1，这些优异的性能赋予了器件在可穿戴心血管监测领域的可行性。基于此，作者团队进一步研究了器件在血液动力学监测上的应用。结果表明，该器件可实现血压、局域脉冲波速、心搏出量等重要临床心血管指标的实时监测，且精度与商业化传感器件相当。此外，作者团队研究了柔性压电器件对血液动力学状态的全天监测数据，并结合机器学习算法实现了监测数据的分类判断，为患者的实时生理状态诊断提供了数据支撑。相关成果以“Hierarchical Piezoelectric Composites for Non-invasive Continuous Cardiovascular Monitoring”为题在线发表于《Advanced Materials》上(https://doi.org/10.1002/adma.202313612)，西南交通大学材料学院博士研究生田果为论文第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金以及中央高校基础研究经费等项目的支持。

图1. 层次化压电复合材料心血管监测传感器的设计理念 (a) 人体心血管系统和传感器监测阵列示意图；(b-c) 多层异质压电复合材料结构示意图；(d) 柔性大尺寸压电复合薄膜实物图。

图2. 层次化结构压电复合材料压电增强机理探索及器件性能表征 (a) 不同层状异质结构极化性能示意图；(b-c) 不同复合结构的压电电荷系数、压电电压常数及极化强度；(d-e) BN纳米片对材料内部漏电流的抑制机制示意图及不同复合结构的漏电流曲线；(f) 复合薄膜与商业PVDF压电膜性能对比雷达图；(g)复合材料内部电流路径模拟结果；(h-i) 压电复合器件的响应时间及压力响应灵敏度。

图3. 心率及血压信号的监测和分析 (a-c) 压电复合器件对桡动脉的监测及稳定性分析；(e-f) 正常及心率失常患者的监测数据及Poincare图分析；(g-h) 改进的袖带法用于传感器血压监测标定；(i-j) 压电复合材料器件和商业器件监测血压的Bland-Altman图用于评估监测精度；(k) 左臂和右臂桡动脉血压信号形状因子的统计结果。

图4. 压电传感阵列器件用于全天血流动力学监测 (a) 压电复合材料柔性传感阵列用于桡动脉监测实物图及示意图；(b) 阵列中不同传感单元的压电信号响应；(c) 心血管循环系统的物理模型及等效电路示意图；(d-f) 桡动脉局域脉冲波速、每搏输出量的分析；(g) 志愿者全天不同生理活动下的血流动力学参数监测结果；(h) 基于机器学习的心血管生理参数分类。
研究团队通过程控静电纺丝和热压技术构筑了一种理性结构的层状异质压电复合材料，对复合材料的压电增强机理和器件性能进行了系统研究和优化，使得其传感性能得到大幅度提升。同时，探索了器件在心血管血流动力学参数监测中的应用，监测精度与商业化器件相当，验证了器件在日常监测中的可行性，有望为心血管疾病的智能诊断和提早干预治疗提供数据支撑。

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202313612

作者简介：

田果，本文第一作者，西南交通大学材料科学与工程学院博士研究生，主要研究领域为压电敏感材料及功能器件。

邓维礼，副教授/硕导，四川省学术和技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才。长期从事纳米功能材料及柔性电子器件的基础研究，近年来，在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy 等国际知名期刊发表学术论文 40 余篇，被引7000余次，相关研究成果获授权发明专利10余件。主持国家自然科学基金NSAF联合基金项目、青年科学基金项目、四川省科技厅重点研发项目、四川省自然科学基金面上项目等多项国家及省部级科研项目。

杨维清，教授/博导，西南交通大学前沿科学研究院院长，从事能源信息材料与器件研究，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计240余篇，入选Elsevier高被引学者、Stanford-Elsevier全球全领域2%Top科学家；长期担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家；科技成果转化专利30余项，转化经费3000余万元；担任中国超级电容器产业联盟副秘书长；获得教育部创新团队、省“青年科技创新研究团队”、省杰出青年基金、省“QR计划”创新人才。所做工作被美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道。

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（责任编辑：xu）

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