3月29日，最新一期《科學》以長文形式發(fā)表了東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院副研究員張含悅與化學化工學院教授熊仁根合作的科研成果。該團隊首次將鐵電化學與生物電子學有機結合，創(chuàng)新性地開發(fā)了一例壓電響應直追無機陶瓷鈦酸鋇（BTO）的可生物降解有機鐵電晶體2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇（HFPD），其壓電響應d33為138 pC/N（Science2024, 383, 1492–1498）。
據(jù)悉，這是自1880年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應以來的一個里程碑式的重大突破。張含悅為文章共同第一作者（排名第一）兼共同通訊作者，東南大學為第一通訊單位。
隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，人們對醫(yī)療健康的需求不斷增加。植入式壓電生物醫(yī)學器件的研究日漸興盛，這有望極大地改善人們的生活質(zhì)量。壓電材料是一類可以實現(xiàn)機械應力和電信號相互轉(zhuǎn)換的功能材料。目前，無機壓電陶瓷和壓電聚合物占據(jù)了應用的主流，但它們是不可生物降解的，故這些傳統(tǒng)壓電材料制成的植入式電子器件應用于人體將面臨二次手術移除的風險。因此，基于可生物降解材料的植入式瞬態(tài)電子器件有望為醫(yī)學領域帶來重要變革。
這些電子器件能夠在可控的時間內(nèi)工作，完成工作后自行溶解在體內(nèi)，且不產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)。其中，天然壓電生物材料在這一方面顯示出許多優(yōu)勢。但它們的壓電性能不佳，壓電系數(shù)d33大多低于10 pC/N，這極大地限制了它們在生物醫(yī)學中的應用。而分子鐵電材料具有合成簡單、易于加工、輕量、生物相容性好和物理性能可調(diào)等獨特優(yōu)勢，有望成為植入式瞬態(tài)電子器件的理想候選材料。因此，亟待開發(fā)具有高壓電性的可生物降解分子鐵電材料。
過去十余年間，熊仁根帶領團隊聚焦于分子鐵電材料的化學設計與研究。今年，基于鐵電化學的氫/氟取代策略和晶體工程，團隊效仿b 相的PVDF結構，利用有限的奇數(shù)個（n = 3）–CF2–基團，結合氫鍵相互作用（類似紐帶）形成了無限長的鏈狀結構，開發(fā)了一例有機小分子鐵電體。團隊將PVDF的結構單元從上千減少到了3，實現(xiàn)了小分子壓電性能四倍的提升（其壓電響應d33為138 pC/N），起到了四兩撥千斤的作用（圖1A）。
這一發(fā)現(xiàn)使得可植入式壓電材料的壓電性能達到新的高度。通過壓電力顯微鏡（PFM）技術和電滯回線測試系統(tǒng)性地表征了該化合物的鐵電性（圖1C和D）。其相鄰分子間通過O–H···O氫鍵相互作用形成了二維氫鍵網(wǎng)絡，這一特性使得HFPD晶體易溶于多種溶劑（尤其是體液），這有助于化合物在生物體內(nèi)的降解（圖1B）。該化合物兼具良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性。
考慮到晶體的脆性和剛性，該團隊通過溶液蒸發(fā)法制備了d33為34.3 pC/N的HFPD-聚乙烯醇（PVA）柔性壓電復合薄膜?；谠搲弘姀秃媳∧ぃ瑘F隊還組裝一個可控的瞬態(tài)機電器件，并證實具有良好的生物傳感性能（圖1E和F）。這一研究為可降解植入式電子醫(yī)療器件提供了有前途的候選材料，也為分子壓電材料提供了與人體健康密切相關的重要應用出口。
相關論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946
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