瞬態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。爲了在人體中使用，它們必須表現出柔韌性、生物相容性和生物降解性，這些要求對于傳統的無機壓電氧化物和壓電聚合物具有挑戰性。 在此，東南大學熊仁根院士，張含悅副研究員，南京大學顧甯院士和美國馬裏蘭大學Shenqiang Ren等人報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。當與聚乙烯醇（PVA）複合時，該材料在生理環境中表現出高柔韌性、生物降解性和生物安全性。HFPD-PVA薄膜不僅具有優異的柔韌性、較高的生物相容性，對生物細胞無明顯毒性，而且在生理環境中表現出良好的生物降解性和生物安全性。本文的HFPD-PVA（2：1）薄膜具有優異的壓電性，d33爲34.3 pC/N，比其他由生物多環分子晶體形成的有機壓電複合材料（5.3 pC/N）要大得多。 相關文章以“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response”爲題發表在Science上。

研究背景

無機壓電體（壓電離子晶體）以其較大的壓電響應而聞名，但其脆性和對聲波傳播的抵抗力阻礙了它們在醫學和生物應用中的應用。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。對于這兩種材料，缺乏生物降解性限制了它們作爲瞬態植入式設備的使用。壓電材料設計的一個重大進步是鐵電化學，其中心是戰略性地使用化學設計方法來定制特定的分子鐵電體。由有機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遠不夠，壓電系數低（d33）小于40 pC/N ，其理想的系數大于100 pC/N。

內容詳解

本文報道的壓電分子晶體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出~138 pC/N的高壓電響應（即無需在壓電材料上施加強電場以使電偶極子沿特定方向對齊）。它還顯示一個特殊的電壓常數，表示當材料在同一方向上承受機械應力或應變時，電壓輸出較大，這在鐵電分子晶體中實現這種特性是壓電材料發展的一個裏程碑。 這種可生物降解的鐵電分子晶體的潛在機制以二維（2D）氫鍵網絡爲中心，該網絡由OH····O HFPD 分子中末端羟基的相互作用。這種相互作用在各種溶劑的溶解度中起著關鍵作用。此外，這種結構特征有助于晶體的生物降解性，這是其潛在生物醫學應用的一個關鍵方面。此外，本文將材料出色的壓電響應歸因于楊氏模量的各向異性，楊氏模量來自晶體結構中二維氫鍵網絡和鏈上的F原子的有序排列。

同時，作者還制作了HFPD-PVA薄膜，這是一種可用于生物醫學設備設計的複合材料，展示了一系列對生物醫學應用至關重要的屬性。除了高柔韌性和生物相容性外，正如用多種類型的細胞培養薄膜所證明的那樣，這些薄膜對培養的細胞也沒有明顯的毒性，並且在生理環境中表現出出色的生物降解和生物安全性，這通過大鼠體內評估得到證實，包括皮下植入測試。此外，HFPD-PVA （2：1） 複合薄膜具有很強的壓電性，具有d33測量值爲34.3 pC/N。 HFPD-PVA薄膜的卓越性能表明，它們適合作爲藥物遞送的載體，以及開發用于治療幹預的自供電瞬態能量收集裝置，這些薄膜有望作爲支持組織修複和再生的支架用于再生醫學。進一步的研究可以集中在探索這種先進壓電材料的彈性化技術上，其彈性鐵電體爲擴展植入式設備應用提供了廣闊的潛力。

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，其壓電性優于PVDF，並且得到的壓電性不需要拉伸和極化的預處理，HFPD中二維氫鍵網絡在成膜制造和無汙染回收方面顯示出明顯的優勢。同時，HFPD-PVA薄膜不僅具有優異的柔韌性、高生物相容性、對生物細胞無明顯毒性，而且在生理環境中也表現出良好的生物降解性和生物安全性。本文的發現爲瞬態植入式機電設備的發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. 10.1126/science.adj1946