Adv. Mater.：诊断心血管疾病的自驱动脉博传感器

【引言】

心血管疾病是全球目前导致死亡率最高的疾病之一。长久以来心血管疾病患者一直饱受恐惧和折磨。幸运的是，目前90%的心血管疾病可以通过长期的与心血管系统相关的生理信号检测得到预防。目前用于的生理信号原位监测的器件质量和性能参差不齐，虽然可以达到一定的效果，但设备无法长久使用需要定期更换供电系统。尤其是设备小型化导致的电源供应的减少让灵敏度和功耗之间的矛盾愈加突出。相较于目前大量的研究工作聚焦于寻求功耗与灵敏度之间的平衡，自驱动主动式传感技术的提出为解决这一矛盾提供了新的方案，它可以将机械振动信号直接化为电信号从而解决功耗和灵敏度的矛盾，实现无功耗高灵敏度的自驱动传感。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员（通讯作者）和王中林院士（通讯作者）领导的联合科研团队，与北京安贞医院和朝阳医院范一帆（通讯作者）、孙广龙两位心血管疾病专家合作开展研究工作，共同研发出无需信号放大就可蓝牙传输、针对心血管疾病进行预警和诊断的自驱动超高灵敏脉搏传感器（SUPS）。SUPS是基于摩擦发电的主动式传感器，可输出电压1.52V，具有很高的峰值信号与噪声比（45dB），是医用光电传感器的10倍，在工作一千万次循环后仍有很好的输出特性，且制备成本很低，只有医用光电传感器的1/5。SUPS相比传统的需要供电的PPG（光电脉搏传感器）、PPT（压电脉搏传感器）等脉搏传感器，能够获得更多的脉搏波的细节信号。SUPS输出的脉搏波形信号与传统设备所获取信号的二阶导数成正比，这使得我们在无需额外复杂电路设计或逻辑运算的情况下便可很容易分析脉搏信号。SUPS输出电压高，无需信号放大器就可以和蓝牙芯片一起集成，可实现脉搏信号的无线传输，并实现在智能手机/电脑上的可视化显示与分析。利用该脉搏传感系统，研究人员对健康成人组和一系列患者组进行了对比试验，成功的实现了对心律失常（房颤）的提示性诊断及对冠心病、房间隔缺损的鉴别性诊断。SUPS有望在未来实现心血管疾病的自驱动可穿戴智能移动诊断。该成果以“Self-Powered Pulse Sensor for Antidiastole of Cardiovascular Disease”为题，发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 SUPS的结构、工作原理、柔性及其脉博信号输出情况

(a)SUPS的结构图

(b,c) Cu和Kapton薄膜上纳米结构的SEM和AFM图像（标尺，1um）

(d) SUPS结构及其工作原理

(e) 表征SUPS具有良好柔韧性的图片

(f) SUPS的尺寸大小为2cm×1cm

(g,h) 当SUPS放在手指和桡动脉上的实时信号输出

图2 当改变SUPS摩擦层表面结构时其电输出的测量结果

(a) 线性马达驱动的具有不同表面结构的SUPS的输出电压、电流、转移电荷量

(b) 将具有不同的表面结构的SUPS贴附在桡动脉上，其输出的电压、电流、转移电荷量

(c) 左图：蜜蜂在SUPS上的光学图片，右图：在蜜蜂翅膀煽动下（频率~200Hz），示波器实时测量的SUPS输出信号

(d) 超高频率（10KHz）下SUPS的输出电压信号

(e) SUPS的稳定性测试

图3 与ECG相比较SUPS, PPT, PPG的脉博信号测量结果及其线性拟合分析

(a) ECG, SUPS, PPT, PPG 脉博传感器的工作信号比较

通过R-R间隔分析SUPS(b), PPT(c), PPG(d)和ECG的线性关系

图4 用SUPS进行案例分析

(a,f)  健康案列的特征点分布和Poincare图

(b,g) CHD的特征点分布和Poincare图

(c,h) ASD的特征点分布和Poincare图

(d,i) AF的特征点分布和Poincare图

(e,j)健康案例和心血管疾病案例之间的比较，散点图和Poincare图

(k) 心脏收缩的舒张下IABP（主动脉内球囊反搏）的工作原理

(i) 不同IABP（主动脉内球囊反搏）工作模式下病人的桡动脉信号

图5 健康人和心血管病人的心率改变、LV输出能力和动脉僵硬度之间的比较

利用时域统计分析进行HRV分析，通过(a)SDNN指数；(b)RMSSD指数；(c)PNN50指数；(d)HR（心率）。动脉僵硬度分析评估通过(e)SI，(h)SL_cf。左心房的负荷和输出能力分析通过(f)Alx和(g) c/e。

图6 在不同的动脉位置和锻炼时的信号输出改变，硬件示意图和结合大数据、云计算技术的无线脉搏传感系统示意图

(a) 桡动脉上贴两个SUPS（距离5cm）的脉冲信号输出

(b,c) 运动前与运动后的桡动脉SUPS的信号输出及PWV（脉搏波传播速率）的变化对比。

(d) 无线脉博传感系统的模块方块图

(e) 贴在桡动脉不同位置的SUPS的脉冲信号输出

(f) 在坐和站立时的心率改变

(g) 基于SUPS的无线健康监测系统图

(h) 智能手机监测系统图

【小结】

文章介绍了一种超高灵敏度脉博传感器，可以将人体脉博信号转化为电信号输出。SUPS具有自驱动、超高灵敏度、价格实惠等特点及优越的输出性能。此外SUPS可以在不需要复杂的电路设计或逻辑运算的情况下直接得到可以便于分析的电压信号。SUPS在诊断心血管疾病方面已经被证实具有重要作用。PWV可以通过同时用两个SUPS测量得到，可以用来分析动脉硬化程度。同时,基于SUPS设计的心血管健康监测系统，有望实现心血管疾病的自驱动柔性可穿戴智能移动监测，为通过长期监测生理脉搏信号来防治心血管疾病提供了一条新的途径。

文献连接：Self-Powered Pulse Sensor for Antidiastole of Cardiovascular Disease（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201703456）

【研究团队介绍】

中国科学院北京纳米能源与系统研究所纳米能源与生物系统实验室，团队在王中林所长的领导下主要从事纳米能源技术在生物医学领域的创新性研究，负责人为李舟研究员。李舟研究员曾获教育部新世纪优秀人才和北京市科技新星及入选北京市高创人才计划。主要从事微纳能源与器件、植入式器件以及生物材料的研究，探索新型微纳传感技术与生物测量方法。近五年内在Science Advances（Science子刊），Adv. Mater, Nano Letters，ACS Nano，J. Biomed. Nanotechnol 等国际顶级学术期刊上共发表SCI文章30余篇，引次数超过800次，2012年获得国际医学与生物工程联合会（IFMBE）的“青年研究者奖”。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、教育部博士点基金和北京市人才项目等多项基金课题，并参与科技部、国家自然基金、北京市科技课题等多项课题。

团队在该领域工作汇总

该团队长期从事新型植入式/可穿戴自驱动电子医疗器件研究。植入式/可穿戴电子医疗器件的两大发展趋势，其中之一是微型化，而微型化最大的困难就是能源的长期供给与功能复杂化之后能耗不断升高之间的矛盾。基于纳米发电机（Nanogenerator）的自驱动技术有可能成为解决植入式电/可穿戴子医疗器件在体能源供给问题的关键。纳米发电机是王中林院士于2006年最早提出来的，是指利用压电氧化锌纳米线阵列将随机的机械能转化为电能的微纳器件。现在除了压电纳米发电机（Piezoelectric nanogenerator, PENG），还有摩擦电纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）和复合压电和摩擦电的复合纳米发电机（Hybrid nanogenerator & Piezo-triboelectric nanogenerator, PTNG），可以在更加广阔的应用领域将无规则的机械能转换为电能，对于收集环境中的随机能量来说是非常理想的。

该团队从07年开始研制植入式纳米发电机（Implantable nanogenerators），进行体内机械能的收集和转换，并在国际上首先采用单根氧化锌纳米线的柔性纳米发电机实现了活体动物呼吸运动和心脏搏动的机械能收集（Adv. Mater. 2010, 22, 2534–2537），并于2014-2016年期间在植入式纳米发电机领域取得多项突破：1）植入式纳米发电机的体内发电功率有巨大提升，电压和电流分别达到14 V和5μA（ACS Nano 2016, 10, 6510−6518）；2）第一次实现了体内机械能的收集与存储，并可利用收集的电能驱动心脏起搏器原型机控制动物心脏跳动频率（Adv. Mater. 2014, 26, 5851–5856；Adv. Mater. 2016, 28, 846–852），也可以驱动红外器件促进骨愈合和牙齿修复（ACS Nano 2015,9, 8, 7867-7873）；3）第一次实现了自驱动心脏监测数据的实时采集和无线传输，验证了植入式自驱动医疗监护系统的临床应用（ACS Nano 2016, 10, 6510−6518; Nano Lett. 2016, 16, 6042−6051），及基于摩擦纳米发电机的超灵敏主动式脉搏传感器在心血管疾病诊断上的可行性（Advanced Materials. 10.1002/adma.201703456）。

本研究方向的目标是生命驱动的纳米医疗电子器件：通过纳米发电机等机械能收集器件，将人体运动的能量转换为电能，驱动植入式/可穿戴电子医疗器件长期、稳定的在体工作，实现人体自供能的医疗和传感。

植入式电子医疗器件的另一发展趋势，是可降解电子医疗器件，其独特的医疗性能、生物相容性与可降解特性，使其在植入人体内完成治疗工作后，可自行分解、消失，无需手术取出，也不会产生异物残留。这种降解特性将极大的提高患者的接受程度，减少二次手术的痛苦和风险，同时也对器件的制作特别是能源供给方式提出了极高的要求。

2016年，该团队在Science的子刊Science Advances发表论文（Sci. Adv. 2016; 2 : e1501478），介绍了一种具有电荷分离与驱动能力的生物降解纳米发电机（Biodegradable nanogenerator，BD-TENG）可在体内产生电能，并成为全可降解的纳米医疗电子器件的能源部分。我们验证了基于BD-TENG的纳米医疗器件可以控制细胞定向生长和排列，并具有促进神经修复的能力，这对植入式可降解医疗器件的研发具有重要意义，未来的应用前景非常广阔。

本研究方向的目标是植入式可控降解纳米医疗器件和传感器，能一定时间内在体完成治疗、修复、探测、传感和监护等医疗功能，并可在完成使命后可控降解吸收，实现植入后一站式医疗和完全无残留。

该团队在自驱动医疗电子器件上的系列研究工作受到学术界的广泛关注，并应邀在著名学术期刊Advanced Science发表综述文章“Recent Progress on Piezoelectric and Triboelectric Energy Harvesters in Biomedical Systems”介绍相关能量收集器件在生物医疗电子领域的最新进展。以及在Annual Review of Biomedical Engineering发表综述文章“Energy Harvesting from the Animal/Human Body for Self-Powered Electronics”介绍应用于自驱动电子器件的能量收集技术的最新进展。

实验室相关论文推荐

1）Ouyang H, Tian J, Sun G, et al. Self‐Powered Pulse Sensor for Antidiastole of Cardiovascular Disease[J]. Advanced Materials, 2017.

2) Dagdeviren C, Li Z, Wang Z L. Energy harvesting from the animal/human body for self-powered electronics[J]. Annual Review of Biomedical Engineering, 2017, 19(1).

3) Zheng Q, Shi B, Li Z, et al. Recent Progress on Piezoelectric and Triboelectric Energy Harvesters in Biomedical Systems[J]. Advanced Science, 2017.

4) Zheng Q, Zou Y, Zhang Y, et al. Biodegradable triboelectric nanogenerator as a life-time designed implantable power source[J]. Science advances, 2016, 2(3): e1501478.

5) Ma Y, Zheng Q, Liu Y, et al. Self-Powered, One-Stop, and Multifunctional Implantable Triboelectric Active Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring[J]. Nano Letters, 2016, 16(10): 6042-6051.

6)   Zheng Q, Zhang H, Shi B, et al. In Vivo Self-Powered Wireless Cardiac Monitoring Via Implantable Triboelectric Nanogenerator[J]. ACS nano, 2016.

7) Zheng Q, Jin Y, Liu Z, et al. Robust Multilayered Encapsulation for High-Performance Triboelectric Nanogenerator in Harsh Environment[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(40): 26697-26703.

8) Qiang Zheng，Bojing Shi，Fengru Fan，Xinxin Wang，Ling Yan， Weiwei Yuan，Sihong Wang，Hong Liu，Zhou Li* and Zhong Lin Wang*，In Vivo Powering of Pacemaker by Breathing-Driven Implanted Triboelectric Nanogenerator, Advanced Materials, 2014.

9)   Bojing Shi, QiangZheng, Wen Jiang, Ling Yan, Xinxin Wang, Hong Liu, Yan Yao, Zhou Li*, & Zhong LinWang*, Packaged self-powered system with universal connectors based on hybridized nanogenerators, Advanced Materials. 2015.

10) Tang, W., Tian, J., Zheng, Q., Yan, L., Wang, J., Zhou Li* & Wang, Z. L.* Implantable Self-Powered Low-Level Laser Cure System for Mouse Embryonic Osteoblasts’ Proliferation and Differentiation. ACS nano, 9(8), 7867-7873. 2015.

11) Zhao L, Zheng Q, Ouyang H, et al. A size-unlimited surface microstructure modification method for achieving high performance triboelectric nanogenerator[J]. Nano Energy, 2016, 28: 172-178.

本文由材料人电子电工学术组王婵供稿，材料牛整理编辑。

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