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壓電是機械能與電耦合在一起的材料性質(zhì)，這也是許多生物系統(tǒng)中中常見的現(xiàn)象。一個多世紀(jì)以來，壓電材料的研究在加工技術(shù)、性能增強和多功能性方面，無機壓電晶體取得了進(jìn)步。為了用于生物技術(shù)，這些材料還必須表現(xiàn)出靈活性、生物兼容性和可生物降解性，這就必須合成壓電生物材料。

壓電生物材料，例如絲綢、膠原蛋白、氨基酸、幾丁質(zhì)、纖維素和病毒顆粒，可以提供生物材料的許多潛在有益特性，如可靠性、生物相容性、可復(fù)制性和靈活性。它們大多是可生物降解的，其生產(chǎn)被認(rèn)為是環(huán)境可持續(xù)的。然而，由于缺乏大規(guī)模組裝和域?qū)R，對其壓電性的研究仍主要在概念層面。在這一組有趣的壓電生物材料中，最簡單的氨基酸甘氨酸以高壓電系數(shù)（d₃₃高達(dá)10 pC/N）和非凡的穩(wěn)定性（γ-甘氨酸）脫穎而出。然而，與許多無機分子類似，純甘氨酸往往形成具有非常高楊氏模量（~30 GPa）的易碎塊狀晶體。此外，甘氨酸需要極高的電場（大于GV/m）來對齊結(jié)構(gòu)域，這使得其多晶薄膜表現(xiàn)出宏觀壓電性相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。

從土木工程跨界到材料，西南交通大學(xué)博士生一作發(fā)表Science！

第一作者：楊帆（西南交通大學(xué)與美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校博士聯(lián)合培養(yǎng)）

共通第一作者：Jun Li

通訊作者：威斯康星大學(xué)王旭東教授

第一單位：威斯康星大學(xué)麥迪遜分校；第二單位：西南交通大學(xué)

威斯康星大學(xué)王旭東教授課題組在Science發(fā)表最新成果，Wafer-scale heterostructured piezoelectric bio-organic thin films，報道了異構(gòu)壓電甘氨酸薄膜晶圓尺度合成的自組裝策略，合成薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異、穩(wěn)定和均勻的壓電性能，以及出色的靈活性和生物兼容性。

作者提出了一種基于γ-甘氨酸晶體的壓電生物材料薄膜的晶圓尺度方法。薄膜具有夾層結(jié)構(gòu)，其中結(jié)晶甘氨酸層自組裝，并在兩塊聚乙烯醇（PVA）薄膜之間自動對齊，甘氨酸-PVA薄膜由其混合物溶液在60°C直接凝固合成（圖1），方法非常簡單。與純甘氨酸晶體相比，機械靈活性幾乎增強了一個數(shù)量級。異構(gòu)型甘氨酸-PVA薄膜的壓電系數(shù)為5.3 pC/N或者157.5×10^?3?Vm/N，這與商業(yè)壓電軟材料（如PVDF）相當(dāng)。甘氨酸-PVA薄膜具有生理環(huán)境中的自然兼容性和可降解性，可以開發(fā)瞬態(tài)植入式機電設(shè)備，為了證明在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，在成年大鼠體內(nèi)測試了PLA包裝甘氨酸-PVA薄膜的壓電性能。

圖文詳情

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圖1. 甘氨酸-聚乙烯醇壓電薄膜的合成及生長機理

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圖2. 甘氨酸-聚乙烯醇壓電薄膜的力學(xué)性能

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圖3. 甘氨酸-聚乙烯醇薄膜的壓電特性

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圖4. 包裝的甘氨酸-聚乙烯醇壓電薄膜在體內(nèi)的壓電性能

跨界的第一作者

第一作者楊帆已經(jīng)在2020年入職同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，從他的研究經(jīng)歷上來看，2015.09-2020.09 西南交通大學(xué)博士，2018.09-2020.09期間到美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校王旭東教授課題組進(jìn)行博士聯(lián)合培養(yǎng)。剛開始在西南交通大學(xué)發(fā)的文章是這樣的：

到了威斯康星大學(xué)后，是這樣的：

跨界如此之大，還能夠發(fā)Science，實在令人欽佩??！

原文信息

Wafer-scale heterostructured piezoelectric bio-organic thin films. Science 373 (6552), 337-342.

https://science.sciencemag.org/content/373/6552/337

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/14/cd72fb7792/

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