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3月29日，最新一期《科學（Science）》以長文（research article）形式發(fā)表題為“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response（具有大壓電響應的可生物降解鐵電分子晶體）”的文章，該成果由東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院青年教師張含悅與化學化工學院熊仁根教授等合作，團隊首次將鐵電化學與生物電子學有機結(jié)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（Science 2024, 383, 1492–1498）。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(shù)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(shù)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。

東南大學熊仁根教授是鐵電化學領域的創(chuàng)立者。在過去十余年間，他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(jié)構(gòu)，利用有限的奇數(shù)個（n = 3）–CF2–基團，結(jié)合氫鍵相互作用（類似紐帶）形成了無限長的鏈狀結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一例有機小分子鐵電體。團隊將PVDF的結(jié)構(gòu)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(shù)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(guān)的重要應用出。

圖1.（A）設計思路示意圖；（B）結(jié)構(gòu)堆積圖；（C）電滯回線；（D）“回”字形鐵電疇極化翻轉(zhuǎn)；（E）降解前后的壓電電壓輸出與圖像；（F）PLA封裝的HFPD-PVA器件在SD大鼠體內(nèi)的壓電性能測量示意圖和該裝置在大鼠膝關(guān)節(jié)區(qū)域的壓電電壓輸出。

Science審稿人對于該工作給予了高度評價，認為它是瞬態(tài)可植入壓電材料領域里程碑式的關(guān)鍵突破（a key milestone for transient implantable piezoelectric materials）。該工作還被《Science》以Perspectives的形式進行重點評述（Science 2024, 383, 1416），指出在鐵電分子晶體中實現(xiàn)如此優(yōu)異的壓電性能是壓電材料發(fā)展的一個里程碑(a milestone in piezoelectric material development)。

在國家自然科學基金和“東南大學十大科學與技術(shù)問題”啟動培育基金的資助下，張含悅博士研究方向為分子鐵電體的化學設計及其生物醫(yī)學應用，并專注于有機硅鐵電體的研究。她致力于圍繞生物醫(yī)學問題，展開鐵電化學與生物醫(yī)學應用的交叉研究。自獨立工作以來，相關(guān)成果在Science、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.等國內(nèi)外主流期刊上發(fā)表。

張含悅（右三）及其團隊部分研究人員

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946