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本網(wǎng)訊(國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院)3月29日，南昌大學(xué)國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院湯淵源教授與東南大學(xué)等科研人員合作，在《科學(xué)（Science）》上發(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）”的研究長(zhǎng)文（research article），報(bào)道了“四兩撥千斤”實(shí)現(xiàn)分子晶體的壓電性飛躍（Science 2024,383, 1492-1498）。湯淵源教授為文章共同第一作者（排名第二），南昌大學(xué)為通訊單位之一。

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療健康的需求也日益旺盛。在這樣的背景下，植入式壓電生物醫(yī)學(xué)器件的研究蓬勃發(fā)展，有望為人們帶來生活質(zhì)量的顯著提升。目前，壓電應(yīng)用的主流材料主要依賴于無機(jī)鐵電陶瓷和鐵電聚合物。然而，這些傳統(tǒng)材料存在一個(gè)顯著問題，即它們不可生物降解。這意味著，當(dāng)這些材料制成的植入式電子器件應(yīng)用于人體時(shí)，需要進(jìn)行二次手術(shù)以移除它們，這無疑增加了患者的風(fēng)險(xiǎn)與不便。相比之下，鐵電分子晶體以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。它們合成簡(jiǎn)便、易于溶液加工，同時(shí)具備輕量、良好的生物相容性和可調(diào)的物理性能。因此，鐵電分子晶體被視為植入式瞬態(tài)壓電器件的理想候選材料。然而，目前市場(chǎng)上可生物降解的鐵電分子晶體數(shù)量稀少，且其壓電性能不盡如人意，壓電響應(yīng)d₃₃普遍低于10 pC/N。因此，如何突破這一技術(shù)瓶頸，開發(fā)出既具備高壓電性能又可實(shí)現(xiàn)生物降解處理的鐵電分子晶體，已成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

結(jié)合晶體工程和熊仁根教授創(chuàng)立的鐵電化學(xué)思想，團(tuán)隊(duì)效仿β相的聚偏氟乙烯（PVDF）結(jié)構(gòu)，選擇在有限奇數(shù)個(gè)–CF₂–基團(tuán)的兩端錨定–CH₂OH，結(jié)合氫鍵相互作用（類似紐帶）形成了無限長(zhǎng)的鏈狀結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一例鐵電分子晶體2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇（HFPD）（圖1）。值得一提的是，通過將PVDF的–CF₂–結(jié)構(gòu)單元（n）從上千個(gè)減少至僅3個(gè)，實(shí)現(xiàn)了小分子壓電性能的四倍提升（其d₃₃為138 pC/N），起到了四兩撥千斤的作用（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)，將可植入式壓電材料的壓電性能推向了新的高度。HFPD晶體中，相鄰分子間通過O–H···O氫鍵的相互作用，形成了一種獨(dú)特的二維氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這一特性使得HFPD晶體能夠輕松溶解于多種溶劑，特別是體液，這對(duì)于化合物在生物體內(nèi)的降解過程極為有利。此外，該化合物還展現(xiàn)出了良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性，這為其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。考慮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?；谶@一壓電復(fù)合薄膜，團(tuán)隊(duì)還成功組裝了一個(gè)可控的瞬態(tài)機(jī)電器件，并證實(shí)其具有良好的生物傳感性能。這一成果不僅為瞬態(tài)植入式電子醫(yī)療器件提供了有前途的候選材料，也為分子壓電材料在人體健康領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的重要出口。

圖1. 高壓電性可生物降解鐵電體的“四兩撥千斤”設(shè)計(jì)理念。

在大道至簡(jiǎn)的理念下，以n = 3替代了壓電聚合物中冗長(zhǎng)復(fù)雜的無限結(jié)構(gòu)單元，成功構(gòu)筑出具備良好生物降解特性的高壓電鐵電分子晶體。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Perspective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)展史上的一個(gè)里程碑（a milestone in piezoelectricmaterial development）。

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

編    輯：程慧萍

責(zé)任編輯：涂金鳳