01 研究背景

電子垃圾的增長促使人們越來越重視傳感材料和設備的范式轉變，迫切需要具有生物降解性和吸收性的新型傳感電子器件。因此，開發基于天然生物原材料的“綠色”柔性電子設備是未來可持續發展的關鍵。

02 研究概述

基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現心臟的同步機械生理監測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監測心臟的機械運動和電活動（1）本研究基于多孔聚乳酸（PLA）駐極體薄膜開發了一種全可生物降解的壓力傳感器，并展示了其在生物力學信號監測中的應用潛力。得益于鋸齒狀波紋結構PLA駐極體膜的優異壓縮變形特性、良好的回彈性及雙極性電荷儲存能力，所制備的傳感器的壓力靈敏度高達10 V/kPa，壓強檢測范圍為0.03-62.4 kPa，壓力分辨率為0.91%，響應/恢復時間（~17 ms），并在30,000 次的壓縮循環后保持性能穩定。此外，傳感器的所有組成材料都表現出良好的生物相容性，通過調整封裝層的厚度，成功實現壓力傳感器在生理環境中的壽命調控。本研究設計制備的環境友好型傳感器在可穿戴設備和植入式生物醫學設備中具有重要的應用潛力。

（1）本研究基于多孔聚乳酸（PLA）駐極體薄膜開發了一種全可生物降解的壓力傳感器，并展示了其在生物力學信號監測中的應用潛力。得益于鋸齒狀波紋結構PLA駐極體膜的優異壓縮變形特性、良好的回彈性及雙極性電荷儲存能力，所制備的傳感器的壓力靈敏度高達10 V/kPa，壓強檢測范圍為0.03-62.4 kPa，壓力分辨率為0.91%，響應/恢復時間（~17 ms），并在30,000 次的壓縮循環后保持性能穩定。此外，傳感器的所有組成材料都表現出良好的生物相容性，通過調整封裝層的厚度，成功實現壓力傳感器在生理環境中的壽命調控。本研究設計制備的環境友好型傳感器在可穿戴設備和植入式生物醫學設備中具有重要的應用潛力。

圖1：全可降解型壓力傳感器在“以人為中心”的生物電子器件中的應用潛力及生態友好性

（圖片來自原文）

（2）駐極體中“真實”電荷的存在是目標傳感器正常工作的基本條件，其存儲電荷量的多少直接影響傳感器的輸出性能。本研究首先采用正、負電暈極化裝置對多孔PLA進行極化處理。接著，測試了正/負電暈極化后，樣品表面電位在室溫環境下的時間衰減特性曲線。結果表明，樣品表面電位在最初5天內有一個明顯的衰減，但隨著儲存時間的延長，表面電位趨于穩定，160天后，穩定后的表面電位絕對值仍在1 kV以上，為初始值的40%。與此同時，在室溫環境下儲存180天后，致密PLA薄膜僅保留了約10%的初始表面電位值，表明多孔微結構在改善PLA駐極體電荷儲存穩定性上的有效性。

圖2：多孔PLA駐極體的電暈極化工藝示意圖及電荷儲存穩定性

（表格來自原文）

（3）明確多孔PLA駐極體的電荷儲存性能后，設計制備了基于該薄膜的壓力傳感器。首先采用折紙工藝折疊多孔PLA薄膜，制成鋸齒狀波紋結構薄膜。接著采用針-板電暈極化裝置對波紋結構PLA薄膜進行極化處理，當電暈針與材料之間的電壓超過空氣氣隙的Paschen 閾值電壓時，就會導致空氣的電離產生大量的帶電離子。最后，將極化好的雙極性波紋狀PLA薄膜層嵌入兩片金屬鉬（Mo）電極中間，制成基于雙極性駐極體的全生物可降解壓力傳感器。整個制作過程無需借助復雜的工藝技術，材料處理簡單，易于低成本、大規模制備。

駐極體基壓力傳感器是一種自供電有源傳感器，工作機制主要基于靜電效應。極化后的鋸齒狀波紋結構PLA駐極體薄膜上下表面帶相反極性的電荷，其分別在上電極和下電極上感應與薄膜相對面相反極性的電荷，當受到外部壓力作用時，波紋結構PLA駐極體薄膜受壓變形，氣隙層厚度發生改變，使得上下電極上的感應電荷量發生改變，從而在外電路中檢測到電學輸出信號。類似地，當外力撤去后，波紋結構PLA駐極體薄膜恢復到初始狀態，在外電路中檢測到相反方向的電流信號。感應電荷將通過外部電路來回流動，以實現與駐極體膜和電極之間的氣隙厚度變化的電位平衡，從而產生交替的電學輸出信號。

圖3：生物可降解型壓力傳感器的結構設計、制備工藝及工作機理

（圖片來自原文）

（4）本研究中PLA薄膜上下兩面帶相反極性的電荷，與相同結構的單面帶極性電荷的PLA薄膜來說，器件在電學輸出方面具有更大的優勢。這是因為PLA駐極體薄膜儲存正/負電荷的能力是相似的，雙極性駐極體的等效電荷密度是單極性駐極體的2倍，并且兩個氣隙層厚度在外力作用下都會發生改變，所以雙極性駐極體器件在電學輸出方面更有優勢。我們測試了單極性和雙極性器件在不同外加壓強下的輸出電壓，結果顯示，在相同的外部壓強下，雙極性器件的輸出電壓約為單極性器件的2倍，具有更優異的壓力傳感靈敏度。

圖4：基于雙極性駐極體壓力傳感器的性能優越性

（圖片來自原文）

（5）本研究對雙極性駐極體壓力傳感器的機電傳感特性進行了系統表征，包括靈敏度、壓強檢測范圍、預加載壓強依賴性、壓力分辨率、頻率特性和響應時間等。結果表明，壓力傳感器的壓力靈敏度可高達10 V/kPa，壓強響應范圍為0.03-62.4 kPa，壓力分辨率為0.91%，相應/恢復時間為17 ms，并且具有穩定的頻率以及加速度響應能力。

圖5：壓力傳感器的機電傳感特性

（圖片來自原文）

（6）評估傳感器在不同環境下的機電傳感穩定性。新制備的壓力傳感器初始“等效”壓電d33系數可達~30,000 pC/N，遠高于相應的多孔PLA鐵電駐極體，在室溫環境下儲存200天后，穩定的壓電d33系數在5,000-10,000 pC/N之間。此外，傳感器呈現出令人滿意的耐熱性以及優異的機械耐久性。

圖6：壓力傳感器的電學和機械穩定性

（圖片來自原文）

（7）得益于上述性能評估，團隊展示了壓力傳感器感知手部運動的一系列嘗試，包括不同形式的觸摸、抓握、動態稱重以及手掌的開合運動，證實了傳感器可以采集高質量的體外生物力學信號。

圖7：體外生物力學信號監測應用

（圖片來自原文）

（8）為了進一步擴展生物可降解型壓力傳感器的潛在生物醫學應用，構建了PLA/PBAT封裝的器件，并在SD大鼠體內測試了其生物力學信號監測能力。結果表明，傳感器具有良好生物安全性以及優異的體內生物力學信號探測能力，在植入式醫療設備中具有巨大的應用潛力。

圖8：體內生物力學信號監測應用

（圖片來自原文）

03 研究意義

本研究在生物電子低碳和可持續發展的背景下，文中報道的壓力傳感器實現了多性能集成，提供了生物可降解材料可控制備和傳感器獨特的結構設計新方案，有望推動面向實際應用的可持續電子設備研究。

來源：BME康復工程分會

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