太原理工AFM:热电凝胶电子器件——自供能可穿戴生理监测的新范式
随着精准医疗和公众健康意识的提升，传统以疾病为中心的医疗模式正逐步向预防导向和持续健康管理转变。体温、呼吸、脉搏、心电、组织形变等生理参数是人体健康状态的多维直接指标。现有可穿戴监测设备大多依赖外部电源、机械刚性强，与柔软生物组织兼容性差，限制了长期舒适佩戴和规模化应用。因此，开发集能量采集、传感和生物界面兼容性于一体的自供能柔性材料成为迫切需求。针对上述挑战，太原理工大学张虎林教授、桑胜波教授与张杰教授联合团队系统总结了热电凝胶在自供能可穿戴生理监测领域的最新进展。热电凝胶是一类结合热-电转换与三维聚合物网络的多功能软材料，通过塞贝克效应、热伽伐尼效应、索雷特效应及协同效应，利用人体与环境之间的微小温差驱动离子或电子定向迁移，将低品位热能直接转化为电能。该综述从微观（交联网络、溶剂相、功能相）、介观（单/双/多网络、结晶、取向结构）到宏观（层状、多孔、纤维、核壳、螺旋结构）三个尺度系统阐述了热电凝胶的结构设计策略。在电极材料方面，总结了金属（Au、Cu）、碳基（碳布、碳纳米管、石墨烯、MXene）和导电聚合物（PEDOT:PSS）电极的优化方案，并讨论了封装与集成技术。关键性能方面，重点分析了热导率、电导率、塞贝克系数的协同调控以及力学性能（拉伸强度、韧性、自愈合）的优化，同时涵盖了生物相容性、抗菌性、防脱水、可降解等生物相关多功能特性。在应用层面，综述了热电凝胶在体温监测、呼吸监测（包括面罩式和鼻内式）、脉搏监测（结合压阻效应）、肢体与面部运动监测、多模态融合感知（温度-压力-湿度-磁等多信号解耦）以及闭环伤口治疗与监测（电刺激促愈合+实时参数反馈）中的代表性进展。相关内容以Thermoelectric Gel Electronics for Self‑Powered Wearable Physiological Monitoring发表在Advanced Functional Materials！图1：自供能可穿戴生物传感概述，涵盖能源转换机制、器件组成、关键性能和应用场景。图2：四种热电效应原理图。塞贝克效应（半导体载流子定向扩散）、热伽伐尼效应（氧化还原对温度依赖电极电位）、索雷特效应（离子热扩散）、协同效应（离子-电子耦合及多重效应叠加）。图3：热电凝胶的多尺度结构设计。微观结构包括共价键、配位键、静电作用、氢键、疏水缔合、主客体包合；介观结构包括单网络、双网络、多网络、均相、结晶、取向结构；宏观结构包括层状、三维多孔、泡沫、纤维纺织、核壳、螺旋结构。图4：电极材料。金属电极（Au、Cu及其微纳结构）、碳基电极（碳布、碳纳米管、石墨烯、MXene）、导电聚合物电极（PEDOT:PSS）及其复合结构。图5：封装与集成。材料级自封装（双疏水涂层、弹性体包覆）、器件级封装（PI/TPU保护膜、粘塑性密封平台）、模块化串联/并联阵列及与微超级电容器的集成。图6：热电与力学性能优化。通过Te纳米线掺杂降低热导率；利用离子诱导结晶提高热功率；通过拉伸诱导结晶和霍夫迈斯特效应实现高拉伸强度（19 MPa）和超高韧性（163.4 MJ/m³）。图7：生物相关多功能特性。生物相容性（细胞存活率>80%）、组织粘附（儿茶酚化学）、抗菌（Fenton反应杀菌率>99%）、自清洁（超疏水接触角159.8°）、可控降解、防脱水（甜菜碱调控，室温10天保持湿润）、自愈合（可逆氢键和离子配位）、刺激响应变形（热致收缩率14.5%）和热致变色（Fe³⁺/Fe(OH)₃可逆转变）。图8：体温监测。额头柔性热电贴片（分辨率0.1 K）、手腕抗冻凝胶（-25°C至25°C稳定）、手指凹形阵列（多区域温度分布）、全身多部位连续监测（跑步运动中热分布）。图9：呼吸监测。面罩式传感器（区分正常呼吸、哮喘、窒息、睡眠呼吸暂停、过度换气、库斯莫尔呼吸，CNN分类准确率97.4%）；鼻内式超细纤维（500 μm直径，舒适无干扰）。图10：脉搏监测。自供能压阻-热电耦合传感器（清晰分辨P、T、D波，灵敏度18.4% kPa⁻¹，响应时间<47.3 ms）；热可逆粘附凝胶（体温下强粘附，冷却后无痛剥离）；微锥阵列结构增强接触。图11：运动监测。太阳能热离子凝胶（非接触式，区分步行、慢跑、跑步）；颈部低头角度和足部步态强度监测；手指精细动作（藻类应力适应仿生凝胶，自愈合）；声带振动和吞咽监测（响应<60 ms）；面部表情识别（六种表情准确率98%，三种病理面部状态96%）；多孔透气阵列（8小时连续情绪分析）。
图12：多模态传感器。温度-压力双模（MXene/CSWCNT，温度分辨率<0.01 K，压力检测限0.025 Pa）；生物启发指尖感受器（微金字塔梯度模量，灵敏度53.6 kPa⁻¹，检测限1.9 Pa，热电压自补偿）；力-热-磁三模（集成电磁线圈）；温-压-汗三参腕带（自然频域解耦）；温-压-湿三参离子凝胶（用于失血性休克动物模型，同时监测核心体温、心率、伤口引流压力和失血量）。图13：闭环伤口治疗与监测。Ag₂Se@GelMA热电敷料（利用伤口与环境温差产生电刺激，激活CaMKKβ/AMPK/Nrf2通路，促进血管生成）；光热-压电-热释电多模态协同增强内源电场；联合青蒿素抗炎治疗糖尿病伤口；Fe²⁺/³⁺交联海藻酸盐热电敷料，集成无线传感模块，实时监测伤口电位、温度动态和呼吸频率。热电凝胶凭借其自供能、柔软可拉伸、生物相容和多功能集成的独特优势，为构建下一代可穿戴生理监测系统提供了全新的材料平台。从基础的热电转换机制到多尺度结构设计，从单一参数监测到多模态融合感知，再到闭环伤口治疗与智能健康管理，热电凝胶电子器件正在从概念验证走向实际应用。未来需进一步提升能量转换效率、环境稳定性、系统集成度和智能化水平，推动自供能可穿戴技术在预防医学和个性化健康管理中的广泛落地。
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原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202600015来源：BioMed科技声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
