全球对环境可持续性问题的日益关注，以及人机交互（HMI）与物联网（IOT）的快速发展，促进了对柔性、生物相容性和可降解功能材料的需求。生物分子压电材料是可持续和环保的，具有灵活性、生物相容性和可重复性。在之前的工作中(Science, doi: 10.1126/science.abf2155)，我们报道了一种异质结构压电甘氨酸-聚乙烯醇（PVA）薄膜自组装方法，所制备薄膜表现出稳定均匀的压电性能、优异的柔韧性和生物相容性，但压电响应与传统无机材料相比仍较弱。此外，在生物应用中，某些生物激励微弱，器件安装空间有限，导致器件产生电压信号很弱，给信号采集和传输带来了极大挑战。这突显了合理设计压电生物器件对有效的生物信号传感和能量采集的重要性。
为解决这一问题，上海交通大学医学院附属瑞金医院杨帆团队与其合作者创造性地提出一种利用分数阶导数（FD）理论修正的压电复合材料机电耦合模型（FD-EMC），用于逆向设计甘氨酸-PVA压电有机薄膜，以实现多功能增强的生物应用。FD-EMC模型能够在宽频域内准确地描述甘氨酸-PVA压电有机薄膜的机电性能，指导设计的超声能量采集器件和颈动脉信号传感器展现了优异的性能。本研究具备通用性和延展性，为设计和优化多种压电生物材料的工程应用提供了强有力的理论框架。该研究以题为“Rational Modeling and Design of Piezoelectric Biomolecular Thin Films Toward Enhanced Energy Harvesting and Sensing”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
甘氨酸-PVA压电薄膜的制备与性能表征
甘氨酸-PVA薄膜是通过在60°C温度下缓慢蒸发其混合溶液合成得到，具有优异的压电性、柔韧性和生物兼容性。为了在理论模型中准确描述甘氨酸-PVA薄膜的动力学性能，作者通过动态热机械分析仪测试了薄膜不同频率下的弹性模量和损耗因子，利用FD理论对其测试数据进行拟合，并进一步应用到压电薄膜的机电耦合模型的修正。
图1. 甘氨酸-PVA压电薄膜的制备与压电性能表征
图2. 甘氨酸-PVA压电薄膜的力学性能表征
为了验证FD理论在准确描述材料粘弹性和校正压电模型方面的有效性，作者对甘氨酸-PVA薄膜制成的压电器件进行了实验测试。通过将模型预测结果与有限元仿真和实验结果对比，证明其在压电输出预测方面的准确性。另外，作者对比模型考虑准静态和FD模量时预测结果，发现考虑FD模量模型在宽频带均展现较好的预测准确性，而单纯考虑准静态模量模型在自然频率和电学输出都产生一定偏移和误差，不利于高性能器件设计。作者基于所提出模型计算所制备器件在100 MΩ外接阻抗下可实现最大660 W/m3的功率密度。最终，作者分析不同FD参数和器件尺寸参数对器件性能影响规律，并提出适用于甘氨酸-PVA压电器件的通用设计框架。图4. 适用于甘氨酸-PVA压电器件的通用设计框架作者基于所提出模型分别设计并验证压电器件在低频机械能收集和高频超声能收集方面的应用。尤其对于超高频超声能量收集，高频激励下准确预测压电薄膜的机电性能能够有效地优化压电器件的电学输出。然后，作者通过设计两级放大电路成功地将压电器件所收集超声能存储到电容中，验证了甘氨酸-PVA压电器件在能量收集方面的应用潜力。此外，作者基于所提出模型设计压电传感器用于微弱劲动脉信号的测量，压电传感器能够灵敏地感知颈动脉和吞咽动作等微弱生物信号。最后，作者展望甘氨酸-PVA压电器件在体外和体内生物信号检测方面的潜在应用。图5. 基于模型设计增强的生物能与超声能量收集应用作者采用FD理论修正压电有机薄膜的机电耦合模型，以实现在宽频域范围内准确预测薄膜的机电性能，最终优化基于甘氨酸-PVA薄膜压电器件的能量转换效率和生物信号传感性能，对于高频超声能量收集方面具有显著的优势。同时，这种方法具备拓展性，为其他压电生物材料的机电性能预测和压电器件的设计与优化提供强有力的理论工具。--检测服务--
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