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兩大院士領(lǐng)銜，東南大學(xué)/南京大學(xué)/馬里蘭大學(xué)重磅Science！

瞬態(tài)植入式壓電材料是生物傳感、藥物遞送、組織再生以及抗菌和腫瘤治療的理想選擇。為了在人體中使用，它們必須表現(xiàn)出柔韌性、生物相容性和生物降解性，這些要求對(duì)于傳統(tǒng)的無機(jī)壓電氧化物和壓電聚合物具有挑戰(zhàn)性。

在此，東南大學(xué)熊仁根院士，張含悅副研究員，南京大學(xué)顧寧院士和美國馬里蘭大學(xué)Shenqiang Ren等人報(bào)道了一種簡單的鐵電分子晶體，其壓電性能是普通壓電材料的13倍以上。當(dāng)與聚乙烯醇（PVA）復(fù)合時(shí)，該材料在生理環(huán)境中表現(xiàn)出高柔韌性、生物降解性和生物安全性。HFPD-PVA薄膜不僅具有優(yōu)異的柔韌性、較高的生物相容性，對(duì)生物細(xì)胞無明顯毒性，而且在生理環(huán)境中表現(xiàn)出良好的生物降解性和生物安全性。本文的HFPD-PVA（2：1）薄膜具有優(yōu)異的壓電性，d₃₃為34.3 pC/N，比其他由生物多環(huán)分子晶體形成的有機(jī)壓電復(fù)合材料（5.3 pC/N）要大得多。

相關(guān)文章以“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

無機(jī)壓電體（壓電離子晶體）以其較大的壓電響應(yīng)而聞名，但其脆性和對(duì)聲波傳播的抵抗力阻礙了它們在醫(yī)學(xué)和生物應(yīng)用中的應(yīng)用。相反，壓電聚合物（壓電分子半晶體）具有柔韌性和低聲阻抗，但壓電性能適中。對(duì)于這兩種材料，缺乏生物降解性限制了它們作為瞬態(tài)植入式設(shè)備的使用。壓電材料設(shè)計(jì)的一個(gè)重大進(jìn)步是鐵電化學(xué)，其中心是戰(zhàn)略性地使用化學(xué)設(shè)計(jì)方法來定制特定的分子鐵電體。由有機(jī)單組分化合物組成的鐵電分子晶體具有良好的溶解度、潛在的生物相容性和生物降解性。然而，盡管有這些有希望的特性，但這些分子晶體的壓電性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，壓電系數(shù)低（d₃₃）小于40 pC/N ，其理想的系數(shù)大于100 pC/N。

內(nèi)容詳解

本文報(bào)道的壓電分子晶體HOCH₂(CF₂)₃CH₂OH [2,2,3,3,4,4-六氟戊烷-1,5-二醇（HFPD）]在無極化條件下表現(xiàn)出~138 pC/N的高壓電響應(yīng)（即無需在壓電材料上施加強(qiáng)電場以使電偶極子沿特定方向?qū)R）。它還顯示一個(gè)特殊的電壓常數(shù)，表示當(dāng)材料在同一方向上承受機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，電壓輸出較大，這在鐵電分子晶體中實(shí)現(xiàn)這種特性是壓電材料發(fā)展的一個(gè)里程碑。 ? ?

這種可生物降解的鐵電分子晶體的潛在機(jī)制以二維（2D）氫鍵網(wǎng)絡(luò)為中心，該網(wǎng)絡(luò)由OH····O HFPD 分子中末端羥基的相互作用。這種相互作用在各種溶劑的溶解度中起著關(guān)鍵作用。此外，這種結(jié)構(gòu)特征有助于晶體的生物降解性，這是其潛在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵方面。此外，本文將材料出色的壓電響應(yīng)歸因于楊氏模量的各向異性，楊氏模量來自晶體結(jié)構(gòu)中二維氫鍵網(wǎng)絡(luò)和鏈上的F原子的有序排列。

同時(shí)，作者還制作了HFPD-PVA薄膜，這是一種可用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，展示了一系列對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要的屬性。除了高柔韌性和生物相容性外，正如用多種類型的細(xì)胞培養(yǎng)薄膜所證明的那樣，這些薄膜對(duì)培養(yǎng)的細(xì)胞也沒有明顯的毒性，并且在生理環(huán)境中表現(xiàn)出出色的生物降解和生物安全性，這通過大鼠體內(nèi)評(píng)估得到證實(shí)，包括皮下植入測試。此外，HFPD-PVA （2：1）復(fù)合薄膜具有很強(qiáng)的壓電性，具有d₃₃測量值為34.3 pC/N。

HFPD-PVA薄膜的卓越性能表明，它們適合作為藥物遞送的載體，以及開發(fā)用于治療干預(yù)的自供電瞬態(tài)能量收集裝置，這些薄膜有望作為支持組織修復(fù)和再生的支架用于再生醫(yī)學(xué)。進(jìn)一步的研究可以集中在探索這種先進(jìn)壓電材料的彈性化技術(shù)上，其彈性鐵電體為擴(kuò)展植入式設(shè)備應(yīng)用提供了廣闊的潛力。

圖1. HFPD的晶體結(jié)構(gòu)和相變??

圖2.?HFPD的鐵電性能

圖3.?HFPD的壓電性能

圖4.?HFPD-PVA薄膜的表征

圖5.?HFPD的生物相容性和生物降解性

綜上所述，本文提出了一種簡單的鐵電分子晶體HFPD，其壓電性優(yōu)于PVDF，并且得到的壓電性不需要拉伸和極化的預(yù)處理，HFPD中二維氫鍵網(wǎng)絡(luò)在成膜制造和無污染回收方面顯示出明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，HFPD-PVA薄膜不僅具有優(yōu)異的柔韌性、高生物相容性、對(duì)生物細(xì)胞無明顯毒性，而且在生理環(huán)境中也表現(xiàn)出良好的生物降解性和生物安全性。本文的發(fā)現(xiàn)為瞬態(tài)植入式機(jī)電設(shè)備的發(fā)展提供了基本模板和潛在靈感。

Han-Yue Zhang*?, Yuan-Yuan Tang?, Zhu-Xiao Gu?, Peng Wang?, Xiao-Gang Chen, Hui-Peng Lv, Peng-Fei Li, Qing Jiang, Ning Gu*, Shenqiang Ren*, Ren-Gen Xiong*, Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response, Science. (2024).

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