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3月29日，最新一期《科學(xué)（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(yīng)的可生物降解鐵電分子晶體）”的文章，該成果由東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院青年教師張含悅與化學(xué)化工學(xué)院熊仁根教授等合作，團(tuán)隊(duì)首次將鐵電化學(xué)與生物電子學(xué)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新性地開發(fā)了一例壓電響應(yīng)直追無機(jī)陶瓷鈦酸鋇（BTO）的可生物降解有機(jī)鐵電晶體2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇（HFPD），其壓電響應(yīng)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(yīng)以來的一個(gè)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(xué)為第一通訊單位。
隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療健康的需求不斷增加。植入式壓電生物醫(yī)學(xué)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(shí)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的功能材料。目前，無機(jī)壓電陶瓷和壓電聚合物占據(jù)了應(yīng)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(yīng)用于人體將面臨二次手術(shù)移除的風(fēng)險(xiǎn)。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(xué)領(lǐng)域帶來重要變革。這些電子器件能夠在可控的時(shí)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(shì)。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?cè)谏镝t(yī)學(xué)中的應(yīng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(xué)熊仁根教授是鐵電化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)立者。在過去十余年間，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聚焦于分子鐵電材料的化學(xué)設(shè)計(jì)與研究。今年，基于鐵電化學(xué)的氫/氟取代策略和晶體工程，團(tuán)隊(duì)效仿b 相的PVDF結(jié)構(gòu)，利用有限的奇數(shù)個(gè)（n = 3）–CF2–基團(tuán)，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(jī)小分子鐵電體。團(tuán)隊(duì)將PVDF的結(jié)構(gòu)單元從上千減少到了3，實(shí)現(xiàn)了小分子壓電性能四倍的提升（其壓電響應(yīng)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(dá)到新的高度。通過壓電力顯微鏡（PFM）技術(shù)和電滯回線測(cè)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(luò)，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?？紤]到晶體的脆性和剛性，該團(tuán)隊(duì)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(fù)合薄膜?；谠搲弘姀?fù)合薄膜，團(tuán)隊(duì)還組裝一個(gè)可控的瞬態(tài)機(jī)電器件，并證實(shí)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(yīng)用出。
圖1.（A）設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)于該工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為它是瞬態(tài)可植入壓電材料領(lǐng)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(jìn)行重點(diǎn)評(píng)述（Science 2024, 383, 1416），指出在鐵電分子晶體中實(shí)現(xiàn)如此優(yōu)異的壓電性能是壓電材料發(fā)展的一個(gè)里程碑(a milestone in piezoelectric material development)。
在國家自然科學(xué)基金和“東南大學(xué)十大科學(xué)與技術(shù)問題”啟動(dòng)培育基金的資助下，張含悅博士研究方向?yàn)榉肿予F電體的化學(xué)設(shè)計(jì)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并專注于有機(jī)硅鐵電體的研究。她致力于圍繞生物醫(yī)學(xué)問題，展開鐵電化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的交叉研究。自獨(dú)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(tuán)隊(duì)部分研究人員
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946
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