随着柔性电子设备在健康监测和医疗诊断领域的革命性潜力日益凸显，对具备高性能压电材料的需求也愈发迫切。聚左旋乳酸（PLLA）纳米纤维膜因其卓越的生物相容性、生物可降解性和优异的柔韧性，在自供电健康监测和组织修复方面展现出巨大潜力。然而，其固有的压电性能不足以满足实际应用需求，这使得增强PLLA的压电性能成为一个亟待解决的挑战。
基于此，清华大学李舟教授团队在国际知名期刊《Advanced Science》上，发表了最新研究论文“Topologically Structured PLLA Fibers With Stress Concentration Effects for Health Monitoring”。该研究成功开发了一种集成拓扑结构设计和应力集中效应的多路径增强策略，显著提升了PLLA纤维的压电性能，在冲击模式和弯曲模式下，压电输出分别达到纯PLLA纤维的约6倍和14倍，为新一代高性能健康监测设备奠定了基础。为新一代高性能健康监测器件奠定了基础。
图1: 基于PLLA纤维的压电增强效应及其在健康监测领域示意图
该团队首先从PLLA的结晶能力调控层面入手，解决了PLLA纤维固有压电性能不足的问题。他们发现，将低浓度高长径比的针状羟基磷灰石（HAp）引入PLLA中，能够作为异相成核剂，有效提高PLLA的结晶度，并促进其分子链的有序排列。这一策略显著增强了PLLA纤维固有的压电输出。通过对HAp不同形貌的筛选和掺杂浓度的优化，研究人员确定了最佳条件，从而在分子层面实现了PLLA纤维压电性能的提升。
图2: 掺杂不同形态HAp的PLLA-HAp纤维膜的探究与优化
在此基础上，为进一步放大压电效应，该团队巧妙地构建了具有不同拓扑结构的PLLA-HAp/PLLA复合纤维膜。他们发现，将低浓度HAp均匀分散的无序PLLA纤维膜作为上层，并与下层有序排列的PLLA纤维膜结合时，能够在两层纤维界面的微观区域产生显著的应力集中效应。这种独特的结构设计能有效地将外部机械力转化为局部集中的应力，从而极大地增强纤维膜的压电响应，实现“力电转换”效率的跃升。实验结果显示，在冲击模式下，该优化后的纤维膜压电输出约为纯PLLA纤维的6倍；在弯曲模式下，更是高达14倍。并通过COMSOL模拟进一步阐述拓扑结构设计耦合应力集中效应提高PLLA纤维压电性能的机制。
图3: 具有不同拓扑结构的PLLA纤维膜的压电性能
图4: 应力集中效应增强PLLA-HAp/PLLA复合纤维膜压电性能的机制
优化的复合压电纤维器件可以有效监测人类生理活动，如颈动脉脉搏、手腕和膝盖关节运动等。该团队并进一步在猪模型上成功记录了猪关节运动和心脏活动，证明了其在未来临床监测应用中的可行性。
图5: 压电器件实现对猪的膝关节和心脏活动实时监测
总体来说，该研究提出一种多路径策略，通过对PLLA纤维进行晶体学调控与拓扑结构设计以及引入应力集中效应，有效地提升其压电性能。这项工作为开发下一代高性能压电/自供电器件提供了一种全新的设计思路，在健康监测、组织工程和个性化医疗等领域具有广阔的应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75619
人物简介：
李舟，博士生导师。清华大学生物医学工程学院教授、清华大学临床医学院/北京清华长庚医院研究员、健康科技研发中心主任。获国家杰青、北京市杰青、国家万人青拔、教育部新世纪、北京市青拔和北京市科技新星。主要从事新型生物电子器件和医疗器件的研究，包括健康监护与治疗的植入/穿戴电子医疗器件、生物传感器、可降解电子器件，以及生物力学的研究。在国际上率先提出人体自供能生物电子器件，获北京市科学技术二等奖，已在心脏起搏器上开展技术转化。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、新曦颠覆式技术创新基金、中科院先导专项、北京市重点项目、北京市自然科学基金-海淀原始创新基金重点项目和华为技术合作项目等多项基金课题。在Nature Biomedical Engineering, Nature Reviews Cardiology, Joule, Cell Biomaterials, Science Advances, Nature Communications等期刊上共发表论文330余篇，3 篇入选ESI前1‰热点论文和30篇入选ESI前1%高被引论文，总被引用超28000次，H-index为89，多篇为本领域最高被引次数论文。论文数、H指数、被引次数等排名全球前1%，并入选科睿唯安年度“全球高被引科学家”名单。
