综述：用于生物电子学和生物医学应用的压电生物材料的设计与制造

《Chemical Reviews》：Design and Manufacturing of Piezoelectric Biomaterials for Bioelectronics and Biomedical Applications

本文系统综述了压电生物材料的设计策略、制造方法及其在生物医学中的应用，涵盖氨基酸、多肽、蛋白质、纤维素等天然生物材料的压电特性，以及通过计算模型、分子工程和微纳加工提升性能的技术。重点讨论了压电生物材料在传感器、能量收集、组织工程和神经调控等领域的应用进展，并分析了规模化制造、性能优化和生物相容性等挑战与未来方向。

　　**深入解析：压电生物材料的特性与应用**

压电效应是一种将机械能转化为电能，或者反之的自然现象，这种效应在晶体材料中尤为显著。自1880年法国科学家皮埃尔·居里和雅克·居里首次在石英和酒石酸钠中发现压电效应以来，压电材料在工业和医疗领域得到了广泛应用。压电材料不仅在超声波换能器、点火装置、传感器、能量收集器等设备中发挥重要作用，还通过其高精度的能量转换能力，成为现代电子设备不可或缺的功能组件。

然而，传统的压电陶瓷和聚合物虽然具有优异的压电性能，但它们在生物相容性、生物降解性以及环境友好性方面存在显著的局限性。例如，含铅的压电陶瓷材料（如PZT）不仅有毒，而且脆性大、难以加工，导致其在柔性系统中的应用受限。合成聚合物（如PVDF）虽然具有良好的生物相容性，但在体内或自然环境中的降解性较差，可能带来潜在的健康风险。因此，研究者们开始关注一种新兴的材料类型——压电生物材料，这些材料具有自然的生物相容性、可降解性以及环境友好性，为生物医学领域提供了更有潜力的替代品。

**压电生物材料的优势与挑战**

压电生物材料的特性来源于其内部的极性结构和分子间的相互作用。这类材料在自然界中广泛存在，如木材、骨组织、角蛋白、弹性蛋白、病毒等，它们能够通过机械变形产生电荷，进而影响生物体的生理功能。例如，人体胫骨在行走过程中产生的压电电荷被认为与骨重塑和生长有关，而肺部在呼吸过程中产生的压电电位可能有助于氧气与血红蛋白的结合。此外，血管壁的压电或铁电特性还可能与血栓形成和动脉粥样硬化的发展相关。

尽管许多生物材料具有压电响应，但其中仅有少数能够用于工程应用。主要的挑战包括材料的压电性较弱，以及在大规模生产中的困难。因此，研究者们开始探索压电生物材料的设计策略和制造方法，以提高其压电性能和可加工性。目前，压电生物材料的研究主要集中在理论分析和微观尺度的实验，但如何将这些材料转化为复杂的、高阶的功能组织，是其实际应用中的关键难题。

**压电生物材料的分类与机制**

近年来，研究者们发现了多种具有压电特性的生物组织和生物分子材料。这些材料可以分为氨基酸、肽、蛋白质和蛋白基组织、多糖和多糖基组织、以及合成可降解分子材料。氨基酸的压电性来源于其非中心对称的晶体结构，而肽和蛋白质的压电性则与分子间的极性相互作用和氢键网络有关。多糖如纤维素和几丁质的压电性则与其非中心对称的分子结构和结晶度有关。

研究者们发现，压电生物材料的压电性不仅与材料的分子结构有关，还受到其外部环境的影响。例如，α-甘氨酸具有中心对称的结构，不具有压电性，而β-甘氨酸和γ-甘氨酸则具有非中心对称的结构，表现出明显的压电性。Kholkin等研究者通过模拟和实验发现，β-甘氨酸和γ-甘氨酸不仅具有压电性，还具有铁电性。他们还发现，β-甘氨酸的剪切压电系数（d??）可达195 pC/N，与无机压电陶瓷相当。

**计算研究与分子工程**

在过去的十年中，压电生物材料的理论建模和计算分析取得了显著进展。这些研究帮助我们理解了生物压电材料在分子层面的压电机制，为材料设计和工程提供了重要的参考。目前，研究者们主要利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟来预测和解释压电材料的压电响应。

分子工程是提高压电生物材料性能的重要手段。通过引入氢/氟替代、共组装、基因和分子修饰、界面氢键和化学交联等策略，可以调整其极性、结构和机械性能，从而增强压电性能和稳定性。例如，Xiong和Zhang通过引入氟元素，提高了压电材料的压电性能，同时保持了其可降解性。他们的研究发现，将氨基酸侧链氟化可以显著增强材料的压电性，同时保持其生物相容性。

**制造技术**

压电生物材料的制造技术多种多样，包括机械力驱动、电场驱动、磁场驱动和热驱动等。机械力驱动技术如机械剥离、机械退火、3D打印和浸涂，能够有效控制材料的极性方向和结构。例如，Zhang等利用机械剥离技术将小肠黏膜（SIS）材料剥离成超薄薄膜，显著提高了其压电性能。而3D打印技术则能够制造复杂的三维结构，为压电生物材料的应用提供了更大的可能性。

电场驱动技术如电纺丝、电喷雾和平行板电场，能够有效引导材料的极性方向和结构。例如，Li等利用电喷雾技术制造了β-甘氨酸纳米晶体薄膜，通过电场驱动实现了其压电性能的增强。而磁场驱动技术如模板约束和电场辅助自组装，能够有效控制材料的极性方向和结构，提高其压电性能。

**生物电子与生物医学应用**

压电生物材料在生物电子和生物医学领域具有广泛的应用前景。例如，压电传感器可以用于监测生物体的生理信号，如压力、温度和运动。压电生物材料的生物相容性和可降解性使其成为生物医学设备的理想材料。此外，压电生物材料还能够用于生物电子设备的制造，如可穿戴设备和植入式设备，这些设备能够通过生物体的机械运动产生电能，实现自供电和无线充电。

在生物医学领域，压电生物材料的应用还包括生物电子设备的制造，如用于骨组织再生、软组织修复和神经调节的设备。例如，Han等利用压电生物材料制造了骨组织再生支架，通过超声波刺激促进了骨组织的形成和再生。而Liu等则利用压电生物材料制造了用于软骨再生的支架，通过超声波刺激促进了软骨细胞的生长和软骨组织的再生。

**总结与展望**

压电生物材料在生物电子和生物医学领域展现出巨大的潜力。它们的生物相容性和可降解性使其能够安全地集成到生物系统中，实现自然的降解和再生。然而，压电生物材料在实际应用中仍面临诸多挑战，包括提高其压电性能、实现大规模和标准化的制造、集成无线和自供电系统以无缝对接生物环境，以及确保其在生理条件下的安全操作和可控降解。

展望未来，压电生物材料的发展将依赖于跨学科的合作，包括材料科学、化学、物理、生物医学工程、生物技术和电子学。新兴技术如AI指导的材料设计、高精度的增材制造和非侵入性的原位组装，可能解锁新的精度、功能和个性化应用。通过持续的努力和创新，压电生物材料有望重新定义未来的生物设备，实现更智能、更安全和更可持续的医疗干预。