近些年，隨著可穿戴電子、植入式裝置與醫(yī)療健康技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)能量采集、信號(hào)傳感和組織交互的功能材料需求日益增長(zhǎng)。壓電材料因可在機(jī)械能與電能之間實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換，已成為現(xiàn)代電子與醫(yī)療設(shè)備中的關(guān)鍵功能元件，被廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、疾病診斷、藥物遞送、癌癥治療、組織再生、神經(jīng)調(diào)控及防污抗附著等先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
然而，傳統(tǒng)壓電材料的固有缺陷限制了其在生物體系中的應(yīng)用。無機(jī)材料（如PZT）含有有毒鉛元素且剛性大、難加工；聚合物材料（如PVDF）雖具生物相容性，但難以在體內(nèi)或自然環(huán)境中降解，可能引發(fā)生物安全與環(huán)境可持續(xù)性問題。
基于此，壓電生物材料（piezoelectric biomaterials）作為可在體內(nèi)降解或源自生物體系的材料，近年來受到廣泛關(guān)注。這類材料兼具天然柔性、生物相容性與可降解性。自1941年Martin首次報(bào)道羊毛與頭發(fā)中的壓電效應(yīng)以來，科學(xué)家已在多種天然材料中觀察到壓電行為，包括氨基酸、多肽、木材、骨骼、肌腱、小腸腸衣，皮膚組織及病毒等。然而，生物體系中壓電響應(yīng)通常較弱，結(jié)構(gòu)控制難度大，這成為該領(lǐng)域發(fā)展的主要瓶頸。如何在保持生物相容性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能壓電輸出，是研究者們亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問題。
近日，香港科技大學(xué)楊征保教授與斯坦福大學(xué)張卓敏博士在國際頂級(jí)期刊Chemical Reviews（影響因子55.8）發(fā)表題為“Design and Manufacturing of Piezoelectric Biomaterials for Bioelectronics and Biomedical Applications” 的綜述論文。
該綜述論文系統(tǒng)總結(jié)了壓電生物材料的設(shè)計(jì)、模擬、制造與應(yīng)用，為構(gòu)建柔性、可降解、智能化的生物電子體系提供了完整研究框架。作者從四個(gè)層面進(jìn)行深入分析：
1. 分子設(shè)計(jì)與理論建模 —— 基于密度泛函理論（DFT）和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示極化取向、分子堆積與氫鍵網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓電性能的決定作用。
2. 分子工程與結(jié)構(gòu)調(diào)控 —— 總結(jié)氫/氟替代、超分子共組裝、基因修飾等多種策略，實(shí)現(xiàn)從分子結(jié)構(gòu)到宏觀性能的可編程調(diào)控。
3. 多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)制造策略 —— 歸納機(jī)械力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)與熱場(chǎng)等協(xié)同作用下的制造方法，構(gòu)建分子到宏觀的有序取向結(jié)構(gòu)。
4. 生物電子與醫(yī)療應(yīng)用 —— 展示材料在傳感器、能量采集、組織工程、神經(jīng)調(diào)控、壓電催化醫(yī)學(xué)等方向的前沿進(jìn)展，突顯其在下一代醫(yī)療電子中的巨大潛力。
該綜述論文還指出，未來的發(fā)展將依賴跨學(xué)科融合，通過人工智能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與高分辨增材制造，實(shí)現(xiàn)“無源、可降解、智能響應(yīng)”的醫(yī)療電子新體系。
圖1. 天然生物壓電材料的自組裝與醫(yī)學(xué)應(yīng)用
圖2. 機(jī)械力驅(qū)動(dòng)的壓電生物材料制備方法
圖3. 尖端誘導(dǎo)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的壓電生物材料制備方法
圖4. 基于壓電生物材料的能量收集器
圖5. 壓電生物材料的挑戰(zhàn)與未來展望
壓電生物材料正處于生物電子學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的交匯前沿，它們以可降解、可持續(xù)、功能多樣的特性，有望重塑醫(yī)療電子的未來格局。盡管在材料發(fā)現(xiàn)、制造工藝和器件驗(yàn)證方面已取得顯著進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化仍需解決以下關(guān)鍵問題：
- 提升壓電性能與穩(wěn)定性；
- 建立可靠、準(zhǔn)確的表征與標(biāo)準(zhǔn)化體系；
- 實(shí)現(xiàn)可規(guī)模化、可擴(kuò)展的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造工藝；
- 確保與生理環(huán)境的長(zhǎng)期穩(wěn)定耦合與可控降解；
- 實(shí)現(xiàn)無線化與自供能集成，構(gòu)建真正的自主醫(yī)療系統(tǒng)。
未來的突破將依賴于跨學(xué)科的協(xié)作，結(jié)合材料科學(xué)、化學(xué)、物理、生物工程、電子學(xué)與計(jì)算建模。作者特別指出，人工智能驅(qū)動(dòng)的材料設(shè)計(jì)、高分辨率增材制造和原位自組裝技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、智能化生物電子的重要推動(dòng)力。隨著研究的不斷深入，壓電生物材料有望引領(lǐng)“無源、可降解、智能響應(yīng)”的新一代醫(yī)療電子革命。
該論文第一作者為斯坦福大學(xué)博士后研究員張卓敏博士和香港科技大學(xué)博士生王禛祺，香港科技大學(xué)楊征保教授與張卓敏博士為通訊作者，其他作者還包括香港科技大學(xué)研究助理教授李學(xué)木博士與香港城市大學(xué)博士生鄭毅。該工作體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在壓電生物材料領(lǐng)域的持續(xù)探索與理論創(chuàng)新，對(duì)推動(dòng)下一代智能生物電子和醫(yī)療器件發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義。
