近日，在国家自然科学基金、“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金和江苏省生物材料与器件重点实验室自主课题的资助下，东南大学生物科学与医学工程学院、江苏省生物材料与器件重点实验室青年教师张含悦与熊仁根教授等合作，该团队首次将铁电化学与生物电子学有机结合，创新性地开发了一例压电响应直追无机陶瓷钛酸钡（BTO）的可生物降解有机铁电晶体2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇（HFPD），其压电响应d33为138 pC/N（Science2024,383,1492–1498）。这是自1880年居里兄弟发现压电效应以来的一个里程碑式的重大突破。相关成果以长文（research article）的形式发表在《科学（Science）》上，题为“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response（具有大压电响应的可生物降解铁电分子晶体）”。张含悦为文章共同第一作者（排名第一）兼共同通讯作者，江苏省生物材料与器件重点实验室为第一通讯单位。
随着我国科学技术的不断发展，人们对医疗健康的需求不断增加。植入式压电生物医学器件的研究日渐兴盛，这有望极大地改善人们的生活质量。压电材料是一类可以实现机械应力和电信号相互转换的功能材料。目前，无机压电陶瓷和压电聚合物占据了应用的主流，但它们是不可生物降解的，故这些传统压电材料制成的植入式电子器件应用于人体将面临二次手术移除的风险。因此，基于可生物降解材料的植入式瞬态电子器件有望为医学领域带来重要变革。这些电子器件能够在可控的时间内工作，完成工作后自行溶解在体内，且不产生有毒有害的物质。其中，天然压电生物材料在这一方面显示出许多优势。但它们的压电性能不佳，压电系数d33大多低于10 pC/N，这极大地限制了它们在生物医学中的应用。而分子铁电材料具有合成简单、易于加工、轻量、生物相容性好和物理性能可调等独特优势，有望成为植入式瞬态电子器件的理想候选材料。因此，亟待开发具有高压电性的可生物降解分子铁电材料。
基于铁电化学的氢/氟取代策略和晶体工程，团队效仿b相的PVDF结构，利用有限的奇数个（n = 3）–CF2–基团，结合氢键相互作用（类似纽带）形成了无限长的链状结构，开发了一例有机小分子铁电体。团队将PVDF的结构单元从上千减少到了3，实现了小分子压电性能四倍的提升（其压电响应d33为138 pC/N），起到了四两拨千斤的作用（图1A）。这一发现使得可植入式压电材料的压电性能达到新的高度。通过压电力显微镜（PFM）技术和电滞回线测试系统性地表征了该化合物的铁电性（图1C和D）。其相邻分子间通过O–H···O氢键相互作用形成了二维氢键网络，这一特性使得HFPD晶体易溶于多种溶剂（尤其是体液），这有助于化合物在生物体内的降解（图1B）。该化合物兼具良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性。考虑到晶体的脆性和刚性，该团队通过溶液蒸发法制备了d33为34.3 pC/N的HFPD-聚乙烯醇（PVA）柔性压电复合薄膜。基于该压电复合薄膜，团队还组装一个可控的瞬态机电器件，并证实具有良好的生物传感性能（图1E和F）。这一研究为可降解植入式电子医疗器件提供了有前途的候选材料，也为分子压电材料提供了与人体健康密切相关的重要应用出口。
图1.（A）设计思路示意图；（B）结构堆积图；（C）电滞回线；（D）“回”字形铁电畴极化翻转；（E）降解前后的压电电压输出与图像；（F）PLA封装的HFPD-PVA器件在SD大鼠体内的压电性能测量示意图和该装置在大鼠膝关节区域的压电电压输出。
Science审稿人对于该工作给予了高度评价，认为它是瞬态可植入压电材料领域里程碑式的关键突破。该工作还被《Science》以Perspectives的形式进行重点评述（Science2024,383, 1416），指出在铁电分子晶体中实现如此优异的压电性能是压电材料发展史上的一个里程碑(a milestone in piezoelectric material development)。
张含悦博士现工作于东南大学江苏省生物材料与器件重点实验室，研究方向为分子铁电体的化学设计及其生物医学应用，并专注于有机硅铁电体的研究。她旨在围绕生物医学问题，展开铁电化学与生物医学应用的交叉研究。自独立工作以来，相关成果在Science、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.等国内外主流期刊上发表。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946
研究进展