3月29日，最新一期《科學（Science）》以長文（research article）形式發表題為“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，團隊首次将鐵電化學與生物電子學有機結合，創新性地開發了一例壓電響應直追無機陶瓷钛酸鋇（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年居裡兄弟發現壓電效應以來的一個裡程碑式的重大突破。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機關。
随着大陸科學技術的不斷發展，人們對醫療健康的需求不斷增加。植入式壓電生物醫學器件的研究日漸興盛，這有望極大地改善人們的生活品質。壓電材料是一類可以實作機械應力和電信号互相轉換的功能材料。目前，無機壓電陶瓷和壓電聚合物占據了應用的主流，但它們是不可生物降解的，故這些傳統壓電材料制成的植入式電子器件應用于人體将面臨二次手術移除的風險。是以，基于可生物降解材料的植入式瞬态電子器件有望為醫學領域帶來重要變革。這些電子器件能夠在可控的時間内工作，完成工作後自行溶解在體内，且不産生有毒有害的物質。其中，天然壓電生物材料在這一方面顯示出許多優勢。但它們的壓電性能不佳，壓電系數d33大多低于10 pC/N，這極大地限制了它們在生物醫學中的應用。而分子鐵電材料具有合成簡單、易于加工、輕量、生物相容性好和實體性能可調等獨特優勢，有望成為植入式瞬态電子器件的理想候選材料。是以，亟待開發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立者。在過去十餘年間，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/氟取代政策和晶體工程，團隊效仿b 相的PVDF結構，利用有限的奇數個（n = 3）–CF2–基團，結合氫鍵互相作用（類似紐帶）形成了無限長的鍊狀結構，開發了一例有機小分子鐵電體。團隊将PVDF的結構單元從上千減少到了3，實作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）。
這一發現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）技術和電滞回線測試系統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氫鍵互相作用形成了二維氫鍵網絡，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内的降解（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法制備了d33為34.3 pC/N的HFPD-聚乙烯醇（PVA）柔性壓電複合薄膜。基于該壓電複合薄膜，團隊還組裝一個可控的瞬态機電器件，并證明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的重要應用。
圖1.（A）設計思路示意圖；（B）結構堆積圖；（C）電滞回線；（D）“回”字形鐵電疇極化翻轉；（E）降解前後的壓電電壓輸出與圖像；（F）PLA封裝的HFPD-PVA器件在SD大鼠體内的壓電性能測量示意圖和該裝置在大鼠膝關節區域的壓電電壓輸出。
Science審稿人對于該工作給予了高度評價，認為它是瞬态可植入壓電材料領域裡程碑式的關鍵突破（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作如此優異的壓電性能是壓電材料發展的一個裡程碑(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學應用，并專注于有機矽鐵電體的研究。她緻力于圍繞生物醫學問題，展開鐵電化學與生物醫學應用的交叉研究。自獨立工作以來，相關成果在Science、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.等國内外主流期刊上發表。
張含悅（右三）及其團隊部分研究人員
來源｜東南大學 東大新聞網
責編｜田皓煜
校對｜楊晨