小型生物醫學設備的快速發展正受到全球范圍的廣泛關注，這主要源于市場對先進醫療解決方案日益迫切的需求。盡管在材料、制造工藝與設備架構等方面已取得顯著進展，有力推動了穿戴式與植入式監測技術的進步，但仍有一項關鍵挑戰——如何有效模擬人體皮膚的結構與功能。該問題與當前在能效提升、設備小型化、測量精度及系統集成等領域所取得的成果形成對比。值得期待的是，近年來制造技術的持續創新，以及具有可調機械性能的高性能有機與無機壓電材料的涌現，為解決上述瓶頸帶來了前所未有的機遇。
據麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，香港城市大學、香港心腦血管健康工程中心的研究團隊在Advanced Science期刊上發表了題為“Next-Generation Piezoelectric Materials in Wearable and Implantable Devices for Continuous Physiological Monitoring”的綜述文章，系統回顧了用于健康監測的壓電材料的發展歷程，概述了壓電材料的各種結構、機制和特性，分析了壓電材料在合成技術、加工工藝和性能表征方面的最新進展，以及在穿戴式和植入式生物醫學設備中的具體應用，并對未來發展方向、潛在挑戰與前景進行了展望。
壓電效應
壓電效應是一種雙向耦合現象，表現為機械信號與電信號之間的相互轉換。當對壓電材料施加機械應力時，其內部會產生電荷，這被稱為正壓電效應。反之，當施加外部電場時，材料會發生機械形變，這被稱為逆壓電效應。這兩種效應在生物工程中都具有重要應用：正壓電效應常用于穿戴式傳感器或能量收集裝置；而逆壓電效應主要被用作執行器。近年來，逆壓電效應也開始應用于基于壓電微泵的透皮給藥系統等生物醫學領域。
圖1 壓電效應示意圖
壓電材料
壓電材料的發展歷程豐富多彩，從早期石英壓電特性的發現，逐步演進為涵蓋多種先進材料的體系。當前，針對人體生理監測和植入式設備的研究主要聚焦于三大類關鍵材料：無機壓電陶瓷、功能性合成壓電聚合物，以及天然/生物分子壓電體系。這種分類方式展現了壓電材料的發展脈絡：從具備強壓電響應的高強度陶瓷材料，逐步發展到兼具柔性與生物相容性的工程化聚合物，最終邁向具備優異生物整合潛力的生物分子體系。
圖2 壓電陶瓷及其在穿戴式設備中的應用
圖3 壓電聚合物及其在穿戴式傳感器中的應用
圖4 生物基與可降解壓電材料的應用
壓電器件的制造技術
壓電材料因其可擴展性的優勢而被廣泛應用于穿戴式和植入式電子設備中。目前已開發并優化了多種材料加工技術用于制造壓電材料及相關傳感器和執行器，涵蓋溶液基方法（例如靜電紡絲、旋涂）、精密印刷技術（例如絲網印刷、噴墨打印）以及先進制造技術（例如3D打印增材制造）。這些制造方法在結構控制、可擴展性和器件集成能力等方面各具優勢，滿足了壓電材料與器件的多樣化制備需求。
圖5 基于靜電紡絲技術的壓電材料及其應用
圖6 基于旋涂與3D打印技術的壓電材料及其應用
圖7 基于絲網印刷和噴墨打印技術的壓電器件及其生物醫學應用
壓電材料的表征技術
準確表征壓電材料的物理化學性質，對于深刻理解其“結構-性能”關系至關重要。目前，針對壓電材料的標準化表征技術主要包括：基礎微觀結構分析、直接壓電響應測試、化學成分鑒定以及熱行為研究等。這些先進的表征技術能夠全面揭示材料的微觀結構、壓電特性、表面化學狀態及熱穩定性等關鍵信息，對于優化器件性能至關重要。
圖8 壓電材料的關鍵表征技術：壓電力顯微鏡（PFM）與示差掃描量熱法（DSC）
應用領域
隨著壓電材料的不斷進步，其在人體生理監測與能量收集領域的應用也日益廣泛。這類材料能夠將機械能轉化為電能，因而非常適合于植入式和穿戴式電子設備。基于壓電材料，能夠提高穿戴式和植入式技術的整體性能和效率，從而開發出既實用又靈活的先進醫療解決方案，例如智能服裝、高效能量收集系統，以及各種穿戴式和植入式應用中的健康監測設備。
圖9 壓電材料在穿戴式電子設備中的應用
圖10 自供電的可生物降解植入物與壓電換能器應用
未來趨勢與展望
展望未來，壓電材料在生物醫學設備中的發展呈現出多學科交叉、動態演進的特點，有望為醫療技術帶來深遠變革。壓電材料的重要發展方向包括：
（1）開發多功能復合材料：融合無機陶瓷的優異壓電性能與有機聚合物的柔韌、生物相容性和可降解特性，重點優化界面結構，以實現高性能、長期安全的植入式設備。
（2）創新制造工藝：推動3D打印、靜電紡絲、噴墨打印等技術升級，實現復雜壓電器件的精密加工、規模化生產與成本控制，支持定制化醫療與多功能集成。
（3）集成智能電子與無線通信：嵌入低功耗芯片與無線傳輸模塊，構建以生物機械能自供電的閉環診療系統，實現實時監測、智能干預與數據互聯。
（4）發展可降解瞬態電子器件：針對短期診療需求，開發可在體內可控降解的電子設備，重點研究降解動力學、服役期穩定性與生物相容性封裝技術。
（5）加強標準化與法規協同：建立統一測試標準、安全規范與性能評價體系，助力技術轉化、監管審批與系統兼容，推動臨床推廣應用。
（6）融合人工智能（AI）和物聯網（IoT）技術：結合AI與IoT，實現數據驅動的預測診療、個性化健康管理與遠程監護，將壓電器件作為感知節點支撐系統智能化。
（7）關注環境可持續性：推行綠色材料設計、可回收組件與低碳生產工藝，降低醫療電子產品全生命周期的生態環境影響。
總之，基于壓電器件的生物醫學設備的未來依賴于材料科學、電子工程、數據科學與臨床醫學的深度融合。通過突破現有的技術瓶頸，整合新興科技，下一代壓電傳感與執行系統將朝著更智能、更安全、更可持續的方向發展，為個性化醫療與健康管理開辟全新路徑。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202507853
