上海
隨著柔性電子設備在健康監測和醫療診斷領域的革命性潛力日益凸顯，對具備高性能壓電材料的需求也愈發迫切。 聚左旋乳 酸 （ PLLA ） 納米纖維膜因其卓越的生物相容性、生物可降解性和優異的柔韌性，在自供 電健康 監測和組織修復方面展現出巨大潛力。然而，其固有的壓電性能不足以滿足實際應用需求，這使得增強 PLLA 的壓電性能成為一個亟待解決的挑戰。
近日，清華大學 李舟 教授 團隊在 國際期刊 Advanced Science 上發表了 題為 Topologically Structured PLLA Fibers With Stress Concentration Effects for Health Monitoring 的 研究。該研究成功開發了一種集成拓撲結構設計和應力集中效應的多路徑增強策略，顯著提升了PLLA纖維的壓電性能，為新一代高性能健康監測器件奠定了基礎。
該 團隊首先從 PLLA 的 結晶能力調控 層面入手，解決了 PLLA 纖維固有壓電性能不足的問題。他們發現，將 低濃度 高長徑比的針狀羥基磷灰石 （ HAp ） 引入 PLLA 中，能夠作為異相成核劑，有效 提高 PLLA 的結晶度，并促進其分子鏈的有序排列。這一策略顯著增強了 PLLA 纖維固有的壓電輸出。通過對 HAp 不同形貌的篩選和摻雜濃度的優化，研究人員確定了最佳條件，從而在分子層面實現了壓電性能的提升。
在此基礎上，為進一步放大壓電效應， 該 團隊巧妙地構建了具有特定拓撲結構的 PLLA- HAp /PLLA 復合纖維膜。他們發現，將低濃度 HAp 均勻分散的無序 PLLA 纖維膜作為上層，并與下層有序排列的 PLLA 纖維膜結合時，能夠在兩層纖維界面的微觀區域產生顯著的應力集中效應。這種獨特的結構設計能有效地將外部機械力轉化為局部高度集中的應力，從而極大地增強纖維膜的壓電響應，實現 “ 力電轉換 ” 效率的躍升。實驗結果顯示，在沖擊模式下，該優化后的纖維膜壓電輸出約為純 PLLA 纖維的 6 倍；在彎曲模式下，更是高達 14 倍 ，突出拓撲結構設計耦合應力集中效應提高 PLLA 纖維 壓電性能 的優勢 。
通過后續實驗，該 復合壓電纖維器件 成功驗證了其在監測人類生理活動 方面的卓越性能 ， 如頸動脈脈搏、手腕和膝蓋關節運動 等 。值得一提的是，研究團隊進一步在豬模型上成功記錄了豬關節運動和心臟活動，證明了其在未來臨床監測應用中的可行性。
總體來說， 該研究提出一種多路徑策略，通過對 PLLA 纖維進行晶體學調控與 拓撲 結構設計 以及引入應力集中效應 ， 有效地 提升其壓電性能。 這項 工作 為開發下一代高性能壓電 / 自供電器件 提供了一種全新的設計思路， 在健康監測、組織工程和個性化醫療等領域具有廣闊的應用前景。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.75619
制版人：十一
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