Piezoelectric interfaces are emerging as powerful tools for autonomous and personalized biomedical diagnostics by enabling real-time sensing and energy harvesting from physiological activities. Among them, piezoelectric nanogenerators (PENG) exemplify the integration of mechanical-to-electrical transduction with wearable and implantable applications, supporting self-powered operation without external power supplies. This review summarizes the fundamental principles of piezoelectricity and the development of representative materials, including inorganic ceramics, organic polymers, and hybrid composites, all tailored for biomedical use. Advances in fabrication strategies such as nanoscale patterning, multilayer assembly, and additive manufacturing have enhanced the flexibility, sensitivity, and biocompatibility of PENG-based systems. These devices have shown significant promise in applications such as cardiovascular and respiratory monitoring, neuromuscular sensing, and wound healing, where continuous and accurate physiological tracking is essential. Despite these advances, challenges remain in improving energy conversion efficiency under low-frequency biological motions, ensuring stable long-term biocompatibility, and integrating energy harvesting with storage and signal processing. Future directions include the incorporation of artificial intelligence for intelligent data analysis and the adoption of sustainable materials to enable next-generation diagnostic tools that are autonomous, eco-friendly, and suitable for precision medicine.
压电界面技术正迅速成为自主化和个性化生物医学诊断领域的强大工具，其核心优势在于能够从生理活动中实时采集信号并实现能量收集。当前医疗监测面临的主要挑战是如何在无需外部电源的情况下，实现对心血管、呼吸及神经肌肉活动的连续精准追踪。本文旨在综述压电纳米发电机（PENG）在这一领域的应用前景，探讨其如何将机械能转化为电能以支持可穿戴和植入式设备的自供能运行，从而推动诊断技术向更智能、更个性化的方向发展。
本综述系统梳理了压电效应的基本原理及代表性生物医用材料的发展现状，涵盖无机陶瓷、有机聚合物以及混合复合材料等多种体系。在设计与制造策略方面，纳米级图案化、多层组装和增材制造等先进工艺被重点讨论，这些方法显著提升了基于PENG系统的柔韧性、灵敏度及生物相容性。通过优化材料微观结构与界面设计，研究致力于解决传统刚性器件难以适应人体复杂运动环境的问题，为构建高性能的自供能诊断平台奠定了坚实的材料与结构基础。
综述指出，经过优化的压电接口在心血管监测、呼吸功能评估以及伤口愈合促进等关键应用中展现出巨大潜力。这些设备能够实现对生理信号的连续且准确的追踪，特别是在低频率生物运动产生的微弱机械信号转换方面取得了显著进展。然而，科学解读表明，尽管能量收集效率已有提升，但在应对极低频的生理活动时仍面临转化效率不足的瓶颈；同时，长期植入环境下的稳定性与免疫反应控制仍是当前技术必须直面的核心挑战，这直接影响了设备的临床适用性。
压电界面技术的未来发展方向将聚焦于解决现有局限性并拓展其应用边界。首要任务是进一步提高在低频率生物运动中的能量转换效率，并确保材料在体内长期使用的生物相容性与稳定性。此外，亟需实现能量收集、存储与信号处理的一体化集成。展望未来，引入人工智能进行智能数据分析以及采用可持续环保材料将成为关键趋势，这将推动下一代诊断工具向自主化、生态友好型及精准医疗方向演进，最终满足个性化医疗的迫切需求。
Les interfaces piézoélectriques émergent comme des outils puissants pour le diagnostic biomédical autonome et personnalisé, permettant la détection en temps réel et la récupération d'énergie à partir des activités physiologiques. Le problème central réside dans la nécessité de surveiller continuellement les fonctions cardiovasculaires, respiratoires et neuromusculaires sans dépendre de sources d'alimentation externes. L'objectif de cette revue est de synthétiser le potentiel des générateurs piézoélectriques (PENG) pour intégrer la transduction mécanique-électrique dans des applications portables et implantables, favorisant ainsi une opération autonome qui soutient les avancées vers une médecine personnalisée.
Cette analyse examine les principes fondamentaux de la piézoélectricité et présente le développement de matériaux représentatifs adaptés à l'usage biomédical, incluant des céramiques inorganiques, des polymères organiques et des composites hybrides. Les stratégies de fabrication avancées telles que le motifage à l'échelle nanométrique, l'assemblage multicouche et la fabrication additive sont détaillées comme étant essentielles pour améliorer la flexibilité, la sensibilité et la biocompatibilité des systèmes basés sur les PENG. Ces approches techniques visent à adapter les dispositifs aux contraintes physiologiques complexes tout en maintenant une intégrité structurelle optimale pour le transfert d'énergie efficace.
Les résultats présentés indiquent que ces interfaces ont démontré un potentiel significatif dans la surveillance cardiovasculaire et respiratoire, ainsi que dans le capteur neuromusculaire et la cicatrisation des plaies. L'interprétation scientifique souligne leur capacité à assurer un suivi physiologique continu et précis, bien qu'il subsiste des défis majeurs concernant l'efficacité de conversion énergétique sous les mouvements biologiques à basse fréquence. La stabilité à long terme de ces dispositifs dans le corps humain reste une préoccupation critique, nécessitant une évaluation rigoureuse pour garantir que la collecte d'énergie ne compromet pas la sécurité biologique du patient.
L'importance de cette technologie réside dans sa capacité à permettre des outils diagnostiques autonomes et écologiques pour la médecine de précision. Les limitations actuelles incluent l'amélioration nécessaire de l'efficacité énergétique lors de mouvements physiologiques lents, ainsi que l'intégration complexe entre la récolte d'énergie, le stockage et le traitement du signal. Les perspectives futures suggèrent l'incorporation de l'intelligence artificielle pour une analyse intelligente des données et l'adoption de matériaux durables. Ces évolutions sont essentielles pour développer les outils diagnostiques de prochaine génération qui répondront aux exigences croissantes d'autonomie, de respect environnemental et de personnalisation thérapeutique.
圧電界面は、生理活動からのリアルタイムセンシングとエネルギー収集を可能にすることで、自律的かつ個別化された生体医学診断の強力なツールとして登場しています。現在の医療モニタリングにおける主要な課題は、外部電源なしで心血管系や呼吸機能、神経筋活動を継続的に正確に追跡することです。本レビューでは、圧電ナノジェネレーター（PENG）が機械的エネルギーを電気的能量に変換し、ウェアラブルおよび埋め込み型アプリケーションにおいて自立動作をサポートする仕組みについて概説します。これにより、外部電源への依存を排除した診断技術の発展と、個別化医療の実現に向けた重要な基盤を提供することを目指しています。
本稿では、圧電性の基本原理と生体医学用途に特化した代表的な材料開発について体系的に整理しました。対象には無機セラミックス、有機ポリマー、およびハイブリッド複合材料が含まれます。製造戦略の進展として、ナノスケールパターニング、多層アセンブル、そして付加製造（3Dプリンティング）などの手法が紹介され、これらがPENGベースシステムの柔軟性、感度、生体適合性を著しく向上させたことが示されています。これらの設計アプローチは、人体の複雑な運動環境に適応しつつ、高いエネルギー変換効率を維持するための材料と構造の最適化に寄与しています。
得られた知見として、心血管・呼吸モニタリング、神経筋センシング、および創傷治癒における継続的かつ正確な生理学的追跡が可能な装置としての有望性が確認されました。しかしながら、科学的解釈においては、低周波数の生物運動下でのエネルギー変換効率の向上や、長期にわたる生体適合性の確保といった課題が残されていることが指摘されています。特に体内埋め込み環境における安定性と免疫反応への影響は、臨床応用に向けた重要な障壁であり、現在の技術が直面している核心的な問題として強調されています。
圧電界面技術の意義は、自律的で環境に優しい次世代診断ツールの開発を通じて精密医療を推進する点にあります。今後の課題としては、低周波生物運動におけるエネルギー変換効率のさらなる向上と、長期使用時の生体適合性の確保が挙げられます。また、エネルギー収集、貯蔵、信号処理の統合も不可欠です。将来的には、人工知能（AI）を用いたインテリジェントなデータ解析や持続可能な材料の採用が進むことが期待され、これにより自律性、環境配慮、および個別化医療に適応した診断技術が実現されるでしょう。
Las interfaces piezoeléctricas están emergiendo como herramientas poderosas para el diagnóstico biomédico autónomo y personalizado, permitiendo la detección en tiempo real y la recolección de energía a partir de actividades fisiológicas. El problema central radica en la necesidad de realizar un seguimiento continuo y preciso de funciones cardiovasculares, respiratorias y neuromusculares sin depender de fuentes de alimentación externas. Este artículo tiene como objetivo resumir el potencial de los generadores piezoeléctricos (PENG) para integrar la transducción mecánico-eléctrica en aplicaciones portátiles e implantables, apoyando así una operación autónoma que impulsa las tecnologías diagnósticas hacia un enfoque más personalizado y eficiente.
La revisión examina sistemáticamente los principios fundamentales de la piezoelectricidad y el desarrollo de materiales representativos adaptados para uso biomédico, incluyendo cerámicas inorgánicas, polímeros orgánicos y compuestos híbridos. Se destacan estrategias avanzadas de fabricación como el patrón a nanoescala, el ensamblaje multicapa y la manufactura aditiva, las cuales han mejorado significativamente la flexibilidad, sensibilidad y biocompatibilidad de los sistemas basados en PENG. Estos enfoques técnicos buscan adaptar los dispositivos a las complejas condiciones fisiológicas mientras mantienen una integridad estructural óptima para garantizar un funcionamiento confiable en entornos corporales dinámicos.
Los hallazgos principales indican que estas interfaces han demostrado un potencial significativo en aplicaciones como la monitorización cardiovascular y respiratoria, el sensor neuromuscular y la curación de heridas. La interpretación científica subraya su capacidad para lograr un seguimiento fisiológico continuo y preciso; sin embargo, se reconoce que persisten desafíos importantes relacionados con la eficiencia de conversión energética bajo movimientos biológicos de baja frecuencia. Además, garantizar una compatibilidad biológica estable a largo plazo sigue siendo una preocupación crítica que afecta directamente la viabilidad clínica de estos dispositivos en entornos in vivo.
La importancia de esta tecnología reside en su capacidad para habilitar herramientas diagnósticas autónomas y ecológicas destinadas a la medicina de precisión. Las limitaciones actuales incluyen la necesidad de mejorar la eficiencia energética durante movimientos fisiológicos lentos, así como integrar eficazmente la recolección de energía con el almacenamiento y el procesamiento de señales. Las direcciones futuras apuntan hacia la incorporación de inteligencia artificial para un análisis inteligente de datos y la adopción de materiales sostenibles. Estos avances son esenciales para desarrollar herramientas diagnósticas de próxima generación que sean autónomas, respetuosas con el medio ambiente y adecuadas para las demandas crecientes de la medicina personalizada.
تظهر الواجهات الكهروضغطية كأدوات قوية في مجال التشخيص الطبي الحيوي المستقل والشخصي، حيث تتيح الاستشعار الفوري وجمع الطاقة من الأنشطة الفسيولوجية. تكمن المشكلة الرئيسية في الحاجة إلى تتبع مستمر ودقيق لوظائف القلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي والعضلات العصبية دون الاعتماد على مصادر طاقة خارجية. يهدف هذا المقال النظري إلى تلخيص إمكانات مولدات الكهروضغطية النانوية (PENG) في دمج تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية ضمن التطبيقات القابلة للارتداء والغرس، مما يدعم التشغيل الذاتي ويدفع نحو تطوير أدوات تشخيصية أكثر ذكاءً وتخصيصًا.
يستعرض هذا العمل مبادئ الكهربية الأساسية وتطوير المواد التمثيلية المخصصة للاستخدام الطبي الحيوي، بما في ذلك السيراميك غير العضوي والبوليمرات العضوية والمركبات الهجينة. تركز المناهج على استراتيجيات التصنيع المتقدمة مثل النمذجة النانوية والتجميع متعدد الطبقات والتصنيع الإضافي، والتي حسنت بشكل كبير من مرونة وحساسية وتوافق الأنظمة القائمة على PENG مع الجسم البشري. تهدف هذه التصميمات إلى التغلب على قيود الأجهزة الصلبة التقليدية وضمان كفاءة عالية في نقل الطاقة ضمن البيئات الفسيولوجية المعقدة.
تُظهر النتائج المستخلصة أن هذه الواجهات تمتلك إمكانات كبيرة في تطبيقات مراقبة القلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي، واستشعار العضلات العصبية، وعلاج الجروح. وتؤكد التفسيرات العلمية قدرتها على تتبع الحالة الفسيولوجية بدقة مستمرة؛ ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات جوهرية تتعلق بتحسين كفاءة تحويل الطاقة تحت حركات بيولوجية ذات تردد منخفض وضمان توافق حيوي مستقر على المدى الطويل داخل الجسم البشري، مما يؤثر بشكل مباشر على الجدوى السريرية لهذه الأجهزة.
تكمن أهمية هذه التقنية في تمكين أدوات تشخيصية مستقبلية تكون مستقلة وصديقة للبيئة لدعم الطب الدقيق. تشمل القيود الحالية الحاجة إلى رفع كفاءة تحويل الطاقة أثناء الحركات البيولوجية البطيئة، بالإضافة إلى دمج جمع الطاقة مع التخزين ومعالجة الإشارات بشكل فعال. وتوجهات المستقبل تتضمن دمج الذكاء الاصطناعي لتحليل البيانات بذكاء واعتماد مواد مستدامة بيئيًا. هذه التطورات ضرورية لتطوير جيل جديد من أدوات التشخيص التي تلبي متطلبات الطب الشخصي من حيث الاستقلالية، والاستدامة البيئية، والدقة العالية في الرعاية الصحية.