四川大学华西口腔医院孙强研究员团队联合材料学院杨磊副教授《Small》综述：热电材料及器件的先进生物医学应用

热电材料及器件具有将热能和电能直接转换的能力，近年来在生物医学领域展示出广泛的应用前景。2024年10月12日，四川大学华西口腔医院孙强研究员/材料学院杨磊副教授团队在《Small》杂志在线发表了题为“Thermoelectric Materials and Devices for Advanced Biomedical Applications”的综述文章。该工作阐述了应用于生物医学领域的热电效应的基本原理以及高性能室温热电材料的最新研究进展，并对热电材料及其器件的生物相容性问题进行了深入讨论。该工作全面回顾了近年来热电材料及其器件的在多个健康医疗相关领域中的应用情况，详细介绍了衍生于热电技术的可穿戴发电、个人热管理、运动监测、生物标志物检测等技术；深入阐述了热电材料及器件在创面治疗、抗菌疗法和抗肿瘤疗法等重要医疗领域的新型应用进展，并总结了应用场景牵引的热电材料选择原则。最后，该工作提出了热电材料在生物医学领域面临的主要挑战和未来发展的潜在趋势，为热电技术在生物医学领域的广泛应用开拓提供了创新性的视角。

图1 热电技术在生物医学领域的示范性应用及作用原理

图2 热电发电技术为健康监测和医疗治疗设备提供能源：热电发电器通过人体与环境温差驱动供能，在低功耗的可穿戴器件及医学植入设备领域发展了多种类型应用。

图3 热电制冷技术在医疗设备中的典型应用：热电制冷器可以作用个人热管理设备的核心元件，并在温度失衡相关疾病及应用创伤处理找到匹配医学应用出口。

图3 热电技术在运动/环境相关物理信号传感中应用：基于热电技术的多模态信号感知应用可以超越简单温度检测，为更复杂的生命活动传感提供技术基础。

图4 热电技术在生物化学传感中的应用：基于化学反应能量变化探测的热电技术可以用于生物标志物检测，在疾病早期诊断和健康检测领域有良好应用潜力。

图5 基于热电效应的活性氧催化原理及在抗菌疗法中应用：温差驱动的电催化反应提供了一种广谱的抗菌途径，有望在感染管理中发挥更为重要的作用。

图6 基于热电催化效应的抗肿瘤疗法的原理及潜在的细胞机制：热电纳米材料有可能被细胞摄取，其在细胞内的动态行为可能对细胞活动产生调控效应。这种特性可能是热电纳米材料作为纳米药物的关键所在，从而在疾病治疗领域开辟出新的应用前景。

图7 基于热电纳米材料的抗肿瘤疗法的最新应用实例。特别值得关注的是，具有活性氧产生能力的热电材料敷料在肿瘤预后中展示出对癌症复发的一定的抑制效果。

综述所述，热电功能材料具备将热能直接转换为电能的能力将在未来的生物医学应用中发挥至关重要的作用。基于本文系统讨论的热电材料及其器件在生物医学领域的先进应用，作者提出热电技术在集成诊断与治疗、组织工程再生、纳米治疗等前沿领域的也具有显著的应用潜力。然而，要实现热电材料在生物医学领域的广泛推广，仍需克服包括热电材料室温性能提升、热电器件设计优化等传统技术难题，以及生物安全性评估、医学伦理考量等新兴挑战。

四川大学华西口腔医院/口腔疾病防治全国重点实验室孙强研究员及四川大学材料与工程学院杨磊副教授为本论文的共同通讯作者，贾诗雨为第一作者。本文受到四川省科技厅、四川大学及华西口腔医院等资助。

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原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202405019