压电材料（Piezoelectric materials）是一类无机和有机材料，可将电能转化为机械力，反之亦然。压电一词起源于希腊语piezein，字面意思就是挤压pressure，取而代之的是，不是挤压葡萄得到葡萄酒，而是挤压晶体来制造电流。这类材料的极性可随着施加力而线性变化，引起材料本身的电场出现，在有机材料，尤其是压电聚合物中，分子结构和排列方向都会激发压电效应。

图1 压电效应

正常情况下，晶体的结构为非对称，但仍以电中性平衡存在；如对其施加机械压力，则结构变形，原子被推挤，从而产生电流；此时，如对同样的晶体施加电流，则该晶体会膨胀或收缩，将电能重新转换为机械能（高度有序排列的晶体材料在机械力下发生瞬时变形，导致原子位置移动，有序偶极子分布引起电荷积累）

压电现象还能发生于不同的哺乳动物组织中，这些组织由对齐α螺旋结构的角蛋白组成，例如羊毛、头发、蹄和角。此外，肌肉和骨骼组织内含有许多胶原蛋白结构，胶原蛋白的特征就在于螺旋纤维和螺旋结构，沿着纤维轴，胶原纤维可表现出侧向压电效应。因此，自然界中的许多组织具有压电性能，例如骨骼、韧带、软骨和肌腱。

图2 1957年科学家即发现骨骼属于压电材料，骨骼胶原纤维彼此滑动时会产生电荷的积累，并产生微小电流，从而打开骨骼细胞的钙离子通道，这触发了一系列信号通路，并最终促进了骨的形成

因此压电材料在医疗领域有两种主要用途，传感器和执行器/效应器，传感器将机械力转换为电压，而效应器则将电量/电压转换为机械力。

图3 压电材料的两种主要用途示意

图4 基于压电材料和压电常数的分类

图5 压电纳米材料的电性能。（a）压电陶瓷；（b）钙钛矿晶体（以钛酸钙表示）；（c）纤锌矿晶体（以氧化锌表示）；（d）单位晶体和块状压电陶瓷网格；（e）聚偏二氟乙烯；（f）天然生物聚合物；（g）天然纳米复合材料

大致了解了材料是怎么回事，还是要回到临床应用上来，压电材料在心电乃至整个泛血管领域的应用都不算少见（当然更多的还是外科手术和牙科器械、雾化器、超声波清洗器械等等），不过今天还是把范围缩小一点。由于电源的限制，起搏器以及其它植入器械不得不面对定期更换的问题，如果此时存在以人体自身的能量（静息时大约有100W）作为电源的植入医疗器械，那么它简直就是临床医生理想中的器械，当然理想是美好的，实际应用过程中目前仍存在许多问题。Thayer School of Engineering和UT Health San Antonio的科学家们，就尝试使用多孔设计的柔软聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）压电薄膜，来制作新一代的起搏器。

图6 自身供能压电器械示意图（研究团队使用犬模型进行了植入测试，如右上图）

如上图，研究团队设计了一个围绕起搏导线的双悬结构，两侧游离缘均可用于收集能量；其最大输出为0.5V，在43nA和1Hz下。（当然目前还没有到临床阶段~顺便这个能量还是太小了，起搏器还是得安个电池）

图7 多孔压电能量收集器械示意图，（C）薄膜的电镜下图像

压电方式收集能量有许多优点，高功率密度、结构简单以及可扩展，且不需要经常维护。然而遗憾的是，其尺寸大小会影响到各种参数，例如重量、制造方法，可达到的输出功率以及潜在的应用领域。其次，心跳在不同人群，以及同一患者不同活动状态下的变化很大。材料方面，压电陶瓷最能产能，但本身较脆，柔软且可拉伸的聚合物材料更合适作为生物医学材料。

图8 麻省理工学院制作的，在牛心包外的压电材料，可获取心脏收缩舒张时的动能，并转化为起搏器的能量

图9 康涅狄格大学制作的，生物可降解聚合物传感器，植入鼠隔膜后，可监测呼吸运动

图10 部分压电材料自身供能起搏器的研究

除了压电以外，2020年瑞士研究者的报道，针对无导线起搏器，基于电磁感应原理的心内能量收集器械，则是另一种思路的自身供电。在原始设计，以及心脏六角架上测试不同角度，并与实验动物体内的不同心脏运动轨迹结合后，设计出如下图的原型，其长度为30mm，直径为7mm，体积为1.15立方厘米，总质量为8.01克。最终体外和实验动物体内，该原型器械实际输出功率分别为4.2uW和2.6uW，并可在术中顺利植入实验猪的右心室。（研究者同时也表示，测试原型仅依赖于恒定的心脏收缩力，未考虑到现实活动中的动能，譬如运动，身体姿势改变等；身体活动可以叠加到心脏动能上，也可能反向抑制，因此目前的结果仅代表静止状态下的保守输出估计值）

图11 电磁感应自身供电起搏器原型（a）截面；（b）最终25mm的胶囊原型，直径为6.8mm，头端为镍钛合金的爪子/抓钩（所以这算个野生自供电Micra？）

自身供电起搏器原型离临床可能还有很多年的距离，目前研究者们仍集中在能量转换上，还未考虑到信号整流和能量存储的问题。此外，不同部位的起搏阈值不同，某些患者的起搏阈值较高，所需的功率也较高，意味着这一领域仍有很长的路要走。

引用文献：

1.Nicolas Franzina, Adrian Zurbuchen, AndreasZumbrunnen, et al. A miniaturized endocardial electromagnetic energy harvest forleadless cardiac pacemakers. PloS One. 2020; 15(9):e0239667.

2.Anuruddh Kumar, Raj Kiran, Sidhant Kumar, et al. Acomparative numerical study on piezoelectric energy harvest for self-poweredpacemarker application. Global Challenges 2018,2,1700084.

3.Kausik Kapat, Quazi T.H. Shubhra, Miao Zhu, et al. Piezoelectricnano-biomaterials for biomedicine and tissue regeneration. Adv. Funct. Mater.2020, 1909045.

4.Angelika Zaszczynska, Arkadiusz Gradys, Pawel Sajkiewicz.Progression in the applications of smart piezoelectric materials for medicaldevices. Polymers 2020, 12, 2754.