昆士兰科技大学陈志刚教授课题组Chem. Eng.J: 热电技术在医疗领域的应用：进展、挑战和前景

第一作者：胡博轩，史晓磊

通讯作者：陈志刚

通讯单位：昆士兰科技大学

【研究背景】

传统的基于化石燃料的能源技术引发了严重的环境问题，如温室气体排放和水污染。为了解决这些问题，热电技术（TEs）作为一种协助减少电力消耗的强大技术，在过去几十年中引起了人们的极大关注。与其他可持续发电技术相比，TEs拥有许多独特的优势，如无活动部件、无噪音、使用寿命长、零排放和精确的温度控制。因此，热电材料和器件已被应用于固态冷却、加热和发电领域并非常适用于空间探索和生物医疗器械。近年来，TEs在医学领域的应用受到的关注越来越多。

【综述简介】

昆士兰科技大学陈志刚教授课题组总结了近年来先进的热电技术在医疗领域的应用，相关成果发表于期刊Chemical Engineering Journal (DOI: 10.1016/j.cej.2022.135268)。这篇综述旨在全面总结了最先进的医用热电器械的重大进展，并概述了原理、材料、设计、和结构等诸多方面。最后，我们指出了进一步改进医用热电设备的设计、性能和应用的当前挑战和未来机遇。

要点1：现况概述

热电设备（TEDs）可以被分为热电发电设备（TEG）和热电冷却设备（TEC），TECs，通过施加直流电可以降低一侧的温度并增加另一侧的温度。通过改变电流的方向，TECs可以在冷却和加热模式之间切换。同时，与传统压缩机冷却相比，TECs不使用氟利昂，这些因素使TECs比传统压缩机具有巨大优势。而TEGs，展现出传统发电技术不具备的灵活性、可靠性和适应性等独特优势。最近，TEDs已广泛的应用于医疗。TECs集制冷和加热于一体，可快速响应和降温，可避免冻伤，便于在救护车上便携使用或对身体受伤部位进行长期冷冻治疗，而TEG可以支持生物医学传感器的运行，特别是可以搭配植入式医疗器械（IMDs）使用辅助或替代人体特定组织或器官的部分功能，进而提高生物医学传感器的便携性。

图1：目前对热电发电设备（TEG）和热电冷却设备（TEC）的医疗应用的关键研究，包含了便携式TEC头盔，TEC脊髓冷却器，TEC皮肤冷却器，TEC眼睛冷却器，可穿戴的TEGs，TEG头盔和用于心脏起搏器的TEGs。

要点2：材料和器械

热电材料可分为一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）材料。3D材料主要是块状半导体材料，2D热电材料主要是热电薄膜，1D热电材料主要包括纳米线和纤维，由于医用TECs和TEGs需要高水平的设备性能和稳定性，1D和2D材料性能仍低于3D 材料且1D热电材料合成技术不成熟因此医用TEDs主要用到是3D材料。我们总结了不同的块状热电材料在最近10年来所报道的性能。

热电模块可根据需要设计成不同类型的TED，可分为常规模块、微型器件和柔性器件。常规模块可分为双腿模块和单腿模块，双腿模块又可分为π型、O型和Y型，其中π型热电模块更多的用于生物医学应用。随着集成电路和微电子系统的发展，微型TED适合集成在低能耗的生物传感器内或作为植入式医疗TEC，用于更快地冷却目标区域。除了性能之外，佩戴时的舒适性也是一个考虑因素，柔性TEDs在弯曲时不太可能在结构上受损，使其成为可穿戴医用设备的良好选择。

图2：a）报道了最先进的块状热电材料的ZT峰值。 b）两种不同类型的单腿模块。c) 微型热电设备（TED）的示意图。d) 柔性TED的示意图。

要点3：医用TECs

TECs可以用作许多不同的医疗用途，例如大脑冷却器。在发生交通事故或心血管手术时，近 20% 的死者是因无法接受及时治疗而死于大脑缺氧。传统上，可以将冰袋放在头上或将患者的头部放在冷水中以达到目的。然而，这些方法存在制冷效率低、冰水和冰的储存以及运输困难等缺点，相比之下TEC头盔可以在救护车中以直流电压运行，从而为患者提供更快的急救。为了增加其佩戴的舒适性，可以采用柔性TED。如果运用于医院等开放区域，而非救护车时，可以配合大型水冷设备，进一步增加TEC大脑冷却器的功效，以有效提高患者的生存率。

图3：a) 热电冷却器（TEC）头盔的冷却和加热效果及其成品图。 b) 不同功率下TEC头盔的温差（ΔT）。c) 使用水泵冷却的TEC头盔示意图。 d) 不同电流下TEC头盔冷侧的温度变化。

要点4：医用TEGs

除了用于TECs以外，TED还可以作为TEGs用于医疗应用，例如植入式TEGs。随着热电技术的发展，TEG可以直接从人体温度发电，这说明了使用TEG驱动植入式医疗设备的潜力。对于可植入TEGs，植入部位需要确保热电模块具有最大的ΔT。同时，作为植入设备，其的机械强度和生物兼容性也是需要考虑的。

图4：a) 植入式热电发电机（TEG）的概念图。b) 不同植入位置的温差（ΔT）。c) 不同环境温度和不同传热系数下的ΔT。d) 不同血液灌注情况下的ΔT。e) 冷却体表后的设备输出电压和ΔT。f) 借助升压电路，设备输出的电压和ΔT。 g) 设备的电压和功率输出。h) 设备在不同级数下的电压和功率输出。

小结与展望

时至今日，热电材料与器件在医学领域的研究取得了令人瞩目的进展，然而目前其存在的挑战也比较严峻。其未来展望包括以下几个方面：

1.研究先进的TE材料以进一步提高热电性能。

2.通过优化器件设计，提高器件性能和稳定性。

3.优化散热器等配件。

4.拓展TEDs的应用，与其他功能材料和装置相结合。

【作者简介】

胡博轩（第一作者）于 2020 年在昆士兰大学入学硕士研究生，其主要的研究方向为热电材料及器械的医学应用，导师为陈志刚教授及史晓磊博士。目前已发表学术论文1篇（第一作者1篇）。

史晓磊（共同第一作者）澳大利亚昆士兰科技大学研究员（2022.02-），昆士兰大学和南昆士兰大学荣誉研究员。于2008及2011年在北京科技大学分别取得材料学学士及硕士学位，于2012-2015年就职于清华大学摩擦学国家重点实验室深圳微纳研究室。2015年获得澳大利亚国际留学生全额奖学金（IPRS）开始在昆士兰大学攻读材料工程博士，为2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者，并于2019年获得博士学位。2019至2021年于南昆士兰大学进行博后工作。长期致力于高性能热电材料与器件的研究，目前作为主要负责人承担包括澳大利亚研究理事会（ARC Discovery Project 一项以及Linkage Project两项）等多个科研项目。共指导3名博士研究生和9名硕士研究生，其中已毕业硕士研究生3名。为全球Top 2%科学家（截至2021年8月，Elsevier BV），共在Chem. Rev.，Prog. Mater. Sci.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.，Mater. Today，Adv. Funct. Mater.，Appl. Phys. Rev.，ACS Energy Lett.，ACS Nano，Adv. Energy Mater.，Energy Storage Mater.，Adv. Sci.，Nano Energy等国际学术期刊上发表论文111篇（影响因子10以上44篇），中国发明专利3项，其中以第一及通讯作者身份发表论文41篇，10篇被选为ESI高被引论文（前1%），2篇被选为Hot Paper（前1‰）。这些论文被Google Scholar引用达3600余次，H-index达到33。

邹进教授现任澳大利亚昆士兰大学的纳米科学讲席教授（Chair in Nanoscience），曾任澳大利亚电子显微学会秘书长，及澳大利亚昆士兰华人工程师与科学家协会副会长。邹进教授目前的研究方向包括：半导体纳米结构（量子点，纳米线，纳米带，超簿纳米片）的形成机理及其物理性能的研究；先进功能纳米材料的形成及其高端应用，尤其在能源，环保和医疗中的应用；固体材料的界面研究。邹进教授在 ISI 9（Web of Science） 刊物上已发表学术论文 650 多篇，其多数论文发表在国际知名刊物上并被引用 18,000次。邹进教授目前承担多项澳大利亚研究理事会的研究课题。

陈志刚教授，澳大利亚昆士兰科技大学能源学科讲席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials），昆士兰大学和南昆士兰大学荣誉教授。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究。2008年博士毕业后前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，荣誉教授，后转入南昆士兰大学担任副教授（2016）和教授（2018）。目前是昆士兰科技大学能源学科讲席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials， 2021）。先后主持共计二千万澳元的科研项目，其中包括8项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚科学院、2项州政府、10项工业项目和10项校级的科研项目。共指导17名博士生和15名硕士研究生，其中已毕业博士生9名和硕士生7名。在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、 Nat. Commun.、Chem. Rev. 、Prog. Mater. Sci.、 Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed. 等国际学术期刊上发表330余篇学术论文, 被SCI引用20，000余次，H-index达到73，是科睿唯安“高被引科学家”。