咬合力是反映颅面系统功能状态的重要生物力学指标，在正畸矫治、种植修复以及颞下颌关节疾病的诊疗中发挥着关键作用。随着数字化牙科和精准医疗的发展，临床需求正在发生变化：不仅要求力学数据的测量，还强调实时获取、动态分析和多维可视化。在个性化诊疗场景下，准确捕捉咬合力的大小、频率及空间分布，对于优化治疗方案和实施早期干预具有重要意义。然而，口腔环境受限于狭小空间、高湿度以及复杂力学交互，使现有技术难以同时满足高分辨率、快速响应和无创整合的需求，形成了精确测量与临床应用之间的技术鸿沟。现有的 T-SCAN® 系统是最常用的数字化咬合分析平台，能够提供接触顺序和相对分布信息，但其刚性平面膜难以适配复杂牙齿曲面，导致接触面积和轨迹被低估，且无法获取真实力值及多向矢量信息。口腔内 3D 扫描技术虽然可以高精度还原静态几何结构，但无法表征力学演变过程，同时设备昂贵、操作复杂，难以实现常规化应用。近年来，柔性传感技术的发展为口腔生物力学监测提供了新的可能。基于压电与压阻效应的传感器已初步实现可植入或可佩戴应用，然而其感知能力多限于单轴或二维力检测，难以准确捕捉咬合力在三维空间中的矢量特性。此外，该类传感器通常依赖外部电源支持，并需配合体积较大的信号处理模块，不仅增加了系统能耗，也限制了其在口腔狭小空间中的长期适配性与佩戴舒适度。为提升信号输出强度，现有设计常采用多层结构叠加策略，但这往往以牺牲器件的柔韧性与患者舒适度为代价。更为关键的是，在咀嚼过程所伴随的高频动态载荷下，此类传感器易出现信号漂移、机械疲劳和性能衰减等问题，制约了其在长期稳定监测中的应用。因此，开发一种能够在复杂口腔环境中实现高灵敏度、自供能、可持续工作并支持多维力感知的新型传感策略显得尤为迫切。该方向的发展不仅有助于突破现有技术的瓶颈，也将推动智能牙科诊疗向精准化、实时化和多维度化迈进，为实现咬合力的系统化表征提供关键技术支撑。

　　中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员团队联合北京大学口腔医院邓旭亮教授团队，提出了一种非侵入式、自供能的摩擦电传感器（STS），实现口腔内咬合力的三维实时监测。该传感器采用PVDF-HFP/钛酸钡复合介电层，并通过柔性聚氨酯与碳硅电极构建多层软界面设计，不仅无需外部供电，还可持续获取咬合力的大小、方向与频率。其共形柔性界面能够高度适配复杂口腔几何结构，精准捕捉多维力矢量，实现动态咬合力学的高保真重建。通过多通道布局与优化电极间距，该系统显著提升空间分辨率，可准确追踪咬合过程中的接触轨迹与力分布。此外，当系统与机器学习算法结合时，可实时解析咬合力数据流，为个性化诊断与适应性治疗提供支持，为智能化、临床可扩展的口腔监测技术开辟了新路径。该成果以“Self-Powered Triboelectric Sensor for Real-Time, Intelligent Occlusal Force Monitoring”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

　　图 1. 基于 STS 的咬合监测系统示意图。a) 实时咬合力传感的概念图。b) STS 的结构示意图。c) STS 系统在动态多维咬合力监测中的代表性临床应用场景。

　　图 2. STS 的工作机制及仿真分析。a) STS 工作过程中电子转移示意图。b) STS 软接触界面示意图。c) COMSOL 仿真得到的 STS 位移随时间变化曲线。d) 不同压力下 STS 电势的 COMSOL 仿真变化。e) COMSOL 仿真得到的 STS 位移变化示意图。f) COMSOL 仿真得到的 STS 在压力作用下电势变化示意图。

　　图 3. STS 参数优化及输出性能。a) 单通道 STS 三维结构示意图。b) 使用 PVDF-HFP 介电层和 ITO 电极的 STS 电流密度。c) 使用 PVDF-HFP/BaTiO₃ 复合介电层和 ITO 电极的 STS 电流密度。d) 使用 PVDF-HFP/BaTiO₃ 复合介电层和碳硅复合电极的 STS 电流密度。e) 不同施加压力下，掺杂 12 wt% BaTiO₃ 的 STS 输出电压。f) 不同 PU 层厚度下 STS 在不同压力作用下的输出电压。g) 不同频率下 STS 的输出电压响应。h) STS 动态咬合下的输出电压响应。i) STS 静态咬合下的输出电压响应。j) STS 在重复机械加载下的稳定性测试。

　　图 4. 多通道 STS 的实际应用。a) 多通道 STS 图像。b) MATLAB 生成的咬合热力图。c) 不同咬合力下的输出电压。d) 不同咬合频率下的输出电压。e) COMSOL 模拟的 STS 二维咬合压力分布顶视图。f) COMSOL 模拟的 STS 三维咬合压力分布正视图。g) 牙齿排列不齐的受试者：i) 口内牙列照片；ii) 受试者咬合多通道 STS 的照片。h) 受试者施加不同咬合力时，多通道 STS 的输出电压。i) 受试者施加不同咬合频率时，多通道 STS 的输出电压。j) 用于数据分类的卷积神经网络（CNN）架构。k) 咬合力分类结果的混淆矩阵。l) 咬合频率分类结果的混淆矩阵。

　　本研究提出了一种基于摩擦纳米发电原理的自供能柔性传感器，实现了口腔咬合力的实时、三维动态监测，突破了传统传感技术在口腔复杂环境下面临的长期技术瓶颈。该传感器融合柔性多层结构与功能化材料设计，在不依赖外部电源与非侵入性条件下，实现了包括垂直力与侧向剪切力在内的全矢量咬合力感知。在多方向动态加载条件下，传感器仍可输出稳定且高灵敏度的电信号，具备优异的力学‑电学响应保真度。其多通道集成架构在保障良好生物相容性与长期稳定性的同时，提供了高时空分辨率的力学分布信息。进一步结合机器学习算法，该系统能够对复杂咬合行为进行智能信号解析与实时分类，支持个性化诊疗判断。本研究构建的摩擦电传感平台为下一代智能口腔监测系统提供了可扩展的技术框架，并具备与可穿戴及植入式设备集成的潜力。未来工作将重点优化其在体性能、拓展临床验证场景，特别是在义齿咬合力监测、正畸力学评估及颞下颌关节功能管理等方向，推动其在口腔疾病早期诊断与精准健康干预中的应用。

　　本工作是魏迪教授团队在智能传感系统最新研究进展之一。魏迪教授团队在离子电子学（IUPAC2024十大新兴技术）领域聚焦纳米限域空间中离子动力学及离子-电子耦合机制，为新能开云电竞源、传感与类脑计算等前沿方向提供了新范式。课题组现面向海内外诚聘副研、博士后、研究助理与硕/博研究生，欢迎具有相关背景的优秀学者加入。详细信息请访问实验室官方网站（）查阅。

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