两大院士领衔，东南大学/南京大学/马里兰大学重磅Science！

瞬态植入式压电材料是生物传感、药物递送、组织再生以及抗菌和肿瘤治疗的理想选择。为了在人体中使用，它们必须表现出柔韧性、生物相容性和生物降解性，这些要求对于传统的无机压电氧化物和压电聚合物具有挑战性。

在此，东南大学熊仁根院士，张含悦副研究员，南京大学顾宁院士和美国马里兰大学Shenqiang Ren等人报道了一种简单的铁电分子晶体，其压电性能是普通压电材料的13倍以上。当与聚乙烯醇（PVA）复合时，该材料在生理环境中表现出高柔韧性、生物降解性和生物安全性。HFPD-PVA薄膜不仅具有优异的柔韧性、较高的生物相容性，对生物细胞无明显毒性，而且在生理环境中表现出良好的生物降解性和生物安全性。本文的HFPD-PVA（2：1）薄膜具有优异的压电性，d₃₃为34.3 pC/N，比其他由生物多环分子晶体形成的有机压电复合材料（5.3 pC/N）要大得多。

相关文章以“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response”为题发表在Science上。

研究背景

无机压电体（压电离子晶体）以其较大的压电响应而闻名，但其脆性和对声波传播的抵抗力阻碍了它们在医学和生物应用中的应用。相反，压电聚合物（压电分子半晶体）具有柔韧性和低声阻抗，但压电性能适中。对于这两种材料，缺乏生物降解性限制了它们作为瞬态植入式设备的使用。压电材料设计的一个重大进步是铁电化学，其中心是战略性地使用化学设计方法来定制特定的分子铁电体。由有机单组分化合物组成的铁电分子晶体具有良好的溶解度、潜在的生物相容性和生物降解性。然而，尽管有这些有希望的特性，但这些分子晶体的压电性能却远远不够，压电系数低（d₃₃）小于40 pC/N ，其理想的系数大于100 pC/N。

内容详解

本文报道的压电分子晶体HOCH₂(CF₂)₃CH₂OH [2,2,3,3,4,4-六氟戊烷-1,5-二醇（HFPD）]在无极化条件下表现出~138 pC/N的高压电响应（即无需在压电材料上施加强电场以使电偶极子沿特定方向对齐）。它还显示一个特殊的电压常数，表示当材料在同一方向上承受机械应力或应变时，电压输出较大，这在铁电分子晶体中实现这种特性是压电材料发展的一个里程碑。

这种可生物降解的铁电分子晶体的潜在机制以二维（2D）氢键网络为中心，该网络由OH····O HFPD 分子中末端羟基的相互作用。这种相互作用在各种溶剂的溶解度中起着关键作用。此外，这种结构特征有助于晶体的生物降解性，这是其潜在生物医学应用的一个关键方面。此外，本文将材料出色的压电响应归因于杨氏模量的各向异性，杨氏模量来自晶体结构中二维氢键网络和链上的F原子的有序排列。

同时，作者还制作了HFPD-PVA薄膜，这是一种可用于生物医学设备设计的复合材料，展示了一系列对生物医学应用至关重要的属性。除了高柔韧性和生物相容性外，正如用多种类型的细胞培养薄膜所证明的那样，这些薄膜对培养的细胞也没有明显的毒性，并且在生理环境中表现出出色的生物降解和生物安全性，这通过大鼠体内评估得到证实，包括皮下植入测试。此外，HFPD-PVA （2：1）复合薄膜具有很强的压电性，具有d₃₃测量值为34.3 pC/N。

HFPD-PVA薄膜的卓越性能表明，它们适合作为药物递送的载体，以及开发用于治疗干预的自供电瞬态能量收集装置，这些薄膜有望作为支持组织修复和再生的支架用于再生医学。进一步的研究可以集中在探索这种先进压电材料的弹性化技术上，其弹性铁电体为扩展植入式设备应用提供了广阔的潜力。

图1. HFPD的晶体结构和相变

图2. HFPD的铁电性能

图3. HFPD的压电性能

图4. HFPD-PVA薄膜的表征

图5. HFPD的生物相容性和生物降解性

综上所述，本文提出了一种简单的铁电分子晶体HFPD，其压电性优于PVDF，并且得到的压电性不需要拉伸和极化的预处理，HFPD中二维氢键网络在成膜制造和无污染回收方面显示出明显的优势。同时，HFPD-PVA薄膜不仅具有优异的柔韧性、高生物相容性、对生物细胞无明显毒性，而且在生理环境中也表现出良好的生物降解性和生物安全性。本文的发现为瞬态植入式机电设备的发展提供了基本模板和潜在灵感。

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. (2024).

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两大院士领衔，东南大学/南京大学/马里兰大学重磅Science！

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