頂刊綜述（IF=55.8）：自然啟發的壓電材料——用生命原料打造下一代生物電子與醫療器件

近年來，隨著可穿戴電子、植入式裝置與醫療健康技術的迅速發展，對能夠實現能量采集、信號傳感和組織交互的功能材料需求日益增長。壓電材料因可在機械能與電能之間實現雙向轉換，已成為現代電子與醫療設備中的關鍵功能元件，被廣泛應用于健康監測、疾病診斷、藥物遞送、癌癥治療、組織再生、神經調控及防污抗附著等先進生物醫學領域。

然而，傳統壓電材料的固有缺陷限制了其在生物體系中的應用。無機材料（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，但難以在體內或自然環境中降解，可能引發生物安全與環境可持續性問題。

基于此，壓電生物材料（piezoelectric biomaterials）作為可在體內降解或源自生物體系的材料，近年來受到廣泛關注。這類材料兼具天然柔性、生物相容性與可降解性。自1941年Martin首次報道羊毛與頭發中的壓電效應以來，科學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通常較弱，結構控制難度大，這成為該領域發展的主要瓶頸。如何在保持生物相容性的同時實現高性能壓電輸出，是研究者們亟待突破的關鍵科學問題。

近日，香港科技大學楊征保教授與斯坦福大學張卓敏博士在國際頂級期刊Chemical Reviews（影響因子55.8）發表題為“Design and Manufacturing of Piezoelectric Biomaterials for Bioelectronics and Biomedical Applications”的綜述論文。論文第一作者是張卓敏，王禛祺；通訊作者為楊征保，張卓敏；通訊單位為香港科技大學機械與航空工程系。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5c00399

該工作系統總結了壓電生物材料的設計、模擬、制造與應用，為構建柔性、可降解、智能化的生物電子體系提供了完整研究框架。

作者從四個層面進行深入分析：

1.分子設計與理論建模 —— 基于密度泛函理論（DFT）和分子動力學模擬，揭示極化取向、分子堆積與氫鍵網絡對壓電性能的決定作用。

2.分子工程與結構調控 —— 總結氫/氟替代、超分子共組裝、基因修飾等多種策略，實現從分子結構到宏觀性能的可編程調控。

3.多場驅動制造策略 —— 歸納機械力、電場、磁場與熱場等協同作用下的制造方法，構建分子到宏觀的有序取向結構。

4.生物電子與醫療應用 —— 展示材料在傳感器、能量采集、組織工程、神經調控、壓電催化醫學等方向的前沿進展，突顯其在下一代醫療電子中的巨大潛力。

論文還指出，未來的發展將依賴跨學科融合，通過人工智能驅動設計與高分辨增材制造，實現“無源、可降解、智能響應”的醫療電子新體系。

圖1. 天然生物壓電材料的自組裝與醫學應用

圖2.機械力驅動的壓電生物材料制備方法。

圖3.尖端誘導電場驅動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.挑戰與未來展望

總結與展望

壓電生物材料正處于生物電子學與生物醫學的交匯前沿，它們以可降解、可持續、功能多樣的特性，有望重塑醫療電子的未來格局。盡管在材料發現、制造工藝和器件驗證方面已取得顯著進展，但要實現臨床轉化仍需解決以下關鍵問題：

• 提升壓電性能與穩定性；
• 建立可靠、準確的表征與標準化體系；
• 實現可規模化、可擴展的復雜結構制造工藝；
• 確保與生理環境的長期穩定耦合與可控降解；
• 實現無線化與自供能集成，構建真正的自主醫療系統。

未來的突破將依賴于跨學科的協作，結合材料科學、化學、物理、生物工程、電子學與計算建模。作者特別指出，人工智能驅動的材料設計、高分辨率增材制造和原位自組裝技術將成為實現個性化、智能化生物電子的重要推動力。隨著研究的不斷深入，壓電生物材料有望引領“無源、可降解、智能響應”的新一代醫療電子革命。

作者信息

該論文第一作者為斯坦福大學博士后研究員張卓敏博士和香港科技大學博士生王禛祺，香港科技大學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研究助理教授李學木博士與香港城市大學博士生鄭毅。該工作體現了團隊在壓電生物材料領域的持續探索與理論創新，對推動下一代智能生物電子和醫療器件發展與應用具有重要意義。

課題組網站：https://yanglab.hkust.edu.hk/

課題組近年來在壓電生物材料領域相關研究成果：

1)X. Li, et al. “One-step high-speed thermal-electric aerosol printing of piezoelectric bio-organic films for wirelessly powering bioelectronics.” Science Advances, 2024.

2)Z. Zhang, et al. “Active self-assembly of piezoelectric biomolecular films via synergistic nanoconfinement and in-situ poling.” Nature Communications, 2023.

3)X. Li, et al. “Fast and versatile electrostatic disc microprinting for piezoelectric elements.” Nature Communications, 2023.

4)Z. Zhang, et al. “van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films.” Advanced Materials, 2022.

5)Z. Wang, et al. “Self-charging and long-term face masks leveraging low-cost, biodegradable and sustainable piezoelectric nanofiber membrane.” Nano Materials Science, 2024.

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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