在膝关节置换过程中，由于胫骨平台形状不规则和关节空间的限制，导致术中内外侧髁压力变化和对线一致难以进行实时监测。这要求传感器需要具有柔性、超薄、无源和灵敏度较高的特点。自驱动技术能采集微弱的机械形变通过电信号的形式实现传感监测，且不需要外部能源的供应，可以完全实现自驱动，为这一问题提供了有效的解决办法。有机压电驻极体传感器作为自驱动技术的一种，不仅仅具备高的准静态压电系数还具有全柔韧性和高灵敏度等特点，被大范围的使用在记录人体的生理和声学振动强度信号。
近期，江汉大学吴钰祥教授、湘雅医院李宇晟教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员开发了一种完全封装、长期稳定、灵活、自供电的基于压电驻极体的传感器阵列，用于压力监测。它具有电压系数高、响应时间快、灵敏度较高、检测限低、稳定性高、抗串行干扰能力强等特点。它可用于人体不一样的区域的信号监测，包括声音振动、桡动脉搏动、手指运动和实时监测膝关节置换术中的动态压力变化。相关研究成果以“Self-Powered Flexible Sensor Array for Dynamic Pressure Monitoring”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1 压力传感器的制造工艺和光学表征。a）压力传感器的制造流程图。b）压力传感器的结构图。c）压力传感器的尺寸。d）压力传感器的微腔结构。e）1 Hz频率下传感器电压的输出表征。f）1 Hz频率下传感器电流的输出表征。g）1 Hz频率下传感器电荷的输出表征。
图2 a）使用有限元模拟模拟的传感器原始状态和按下状态的电位分布。b）传感器的响应时间。c）在相同的接触面积和力下输出不同的通道。
图3 柔性压力传感器的性能表征。a）传感器在不同负载下的电压输出。b）传感器在不同负载下的压力和电压之间的关系。c）柔性压力传感器的最小检测限。d）传感器不同位置的压电系数。e）不同时间传感器压电系数的平均值。f）在不同曲率的拱形结构的作用下，柔性压力传感器的输出发生明显的变化。g）柔性压力传感器抵抗串行干扰的能力。h）柔性压力传感器在4000次作用下电压输出的变化。数据以平均值±SEM表示。
图4 柔性压力传感器在人体中的应用。a）监测声音振动。b）监测桡动脉脉搏。c）监测手指屈曲和伸展。d）膝关节压力概念图的无线传输。e）膝关节模具上传感器滚动过程中电压的输出表征。f）传感器在膝关节模具上滚动过程中电流的输出特性。g）传感器在膝关节模具上滚动过程中的电荷输出表征。
图5 猪膝关节置换术期间的动态压力监测。a）猪全膝关节置换术示意图。b）动物实验中的动态膝关节压力监测系统。c）猪不同关节角度下膝关节的压力分布。
综上所述，通过微腔结构的设计不仅降低了薄膜的杨氏模量，而且大幅度的提升了薄膜的压电性能，其压电系数为23.8 pC N-1。柔性压力传感器表现出显著的力电关系（R2=0.992），压力范围为1.4 N到13.6 N，灵敏度为9 mV N-1。其93毫秒的快速响应和优秀的抗串行干扰能力确保了对压力变化的实时监测。输出性能和压电系数在4000次循环和6个月的使用后仍就保持高稳定性。压力传感器阵列的灵活性使其能够无缝地符合不同曲率的表面，被证明是普遍适用的。此外，该团队已经成功记录了猪膝关节置换术中屈伸运动时动态压力的波动，为随后全膝关节置换术期间关节压力的监测提供一个新的技术路径。
声明：仅代表作者本人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下面进行留言指正！