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本網訊(國際有序物質科學研究院)3月29日，南昌大學國際有序物質科學研究院湯淵源教授與東南大學等科研人員合作，在《科學（Science）》上發表題為“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）”的研究長文（research article），報道了“四兩撥千斤”實現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），南昌大學為通訊單位之一。

隨著我國科學技術的不斷發展，人們對醫療健康的需求也日益旺盛。在這樣的背景下，植入式壓電生物醫學器件的研究蓬勃發展，有望為人們帶來生活質量的顯著提升。目前，壓電應用的主流材料主要依賴于無機鐵電陶瓷和鐵電聚合物。然而，這些傳統材料存在一個顯著問題，即它們不可生物降解。這意味著，當這些材料制成的植入式電子器件應用于人體時，需要進行二次手術以移除它們，這無疑增加了患者的風險與不便。相比之下，鐵電分子晶體以其獨特的優勢脫穎而出。它們合成簡便、易于溶液加工，同時具備輕量、良好的生物相容性和可調的物理性能。因此，鐵電分子晶體被視為植入式瞬態壓電器件的理想候選材料。然而，目前市場上可生物降解的鐵電分子晶體數量稀少，且其壓電性能不盡如人意，壓電響應d₃₃普遍低于10 pC/N。因此，如何突破這一技術瓶頸，開發出既具備高壓電性能又可實現生物降解處理的鐵電分子晶體，已成為該領域亟待解決的關鍵問題。

結合晶體工程和熊仁根教授創立的鐵電化學思想，團隊效仿β相的聚偏氟乙烯（PVDF）結構，選擇在有限奇數個–CF₂–基團的兩端錨定–CH₂OH，結合氫鍵相互作用（類似紐帶）形成了無限長的鏈狀結構，開發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–結構單元（n）從上千個減少至僅3個，實現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）。這一發現，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，形成了一種獨特的二維氫鍵網絡。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，這對于化合物在生物體內的降解過程極為有利。此外，該化合物還展現出了良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性，這為其在生物醫療領域的應用提供了廣闊的前景。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）柔性壓電復合薄膜。基于這一壓電復合薄膜，團隊還成功組裝了一個可控的瞬態機電器件，并證實其具有良好的生物傳感性能。這一成果不僅為瞬態植入式電子醫療器件提供了有前途的候選材料，也為分子壓電材料在人體健康領域的應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”設計理念。

在大道至簡的理念下，以n = 3替代了壓電聚合物中冗長復雜的無限結構單元，成功構筑出具備良好生物降解特性的高壓電鐵電分子晶體。審稿人對于該工作給予了高度評價，認為它是瞬態可植入壓電材料領域里程碑式的關鍵突破（a key milestone for transient implantable piezoelectric materials）。該工作還被《Science》以Perspective的形式進行重點評述（Science 2024,383, 1416），指出在鐵電分子晶體中實現如此優異的壓電性能是壓電材料發展史上的一個里程碑（a milestone in piezoelectricmaterial development）。

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

編    輯：程慧萍

責任編輯：涂金鳳