具有空洞微结构的可生物降解压电/铁电体：材料与应用领域的最新进展

《IEEE Electrical Insulation Magazine》：Biodegradable Piezo/Ferroelectrets with Void Microstructure: Recent Advances in Materials and Applications

可降解压电/铁电体材料通过微孔结构设计实现机械与电能的高效转换，兼具陶瓷的高压电系数和塑料的柔韧性，适用于生物电子器件。但传统石油基材料存在环境不友好和生物吸收性差的问题，研究可降解生物电子材料对可持续发展至关重要。

　　

摘要：

具有空隙微结构的可生物降解压电/铁电体已成为下一代可持续生物电子学领域极具前景的候选材料。

引言

经过适当的极化处理后，具有蜂窝状微结构的电致聚合物薄膜会表现出强烈的压电活性，这类电活性材料被称为“压电体”（或“铁电体”）[1]–[3]。压电体能够将机械变形转化为电能，反之亦然。其独特的微结构通常由电致聚合物基质中的空隙或气孔组成，通过压电效应实现电信号与机械信号之间高效且精确的转换，包括直接压电效应和逆压电效应[2]。压电体结合了压电陶瓷（如Pb[Zr, Ti]O₃、PZT）的高压电系数和传统铁电聚合物（如聚偏二氟乙烯）的柔韧性，因此更适用于生物电子学应用。常见的压电体材料包括聚丙烯[4]、辐照交联聚丙烯[5]、聚乙烯[6]、氟化聚乙烯丙烯[7][8]、聚四氟乙烯[9]等。这些材料表现出优异的特性，如高压电性能（pC/N）、低特征声阻抗（约0.03 MRayl）、轻质（密度约330 kg/m³）、薄膜形态（厚度约0.04 mm）以及低成本[10]。然而，这些材料的原材料主要来源于不可降解的石油资源，可能对环境可持续性构成威胁。例如，某些基于石油的塑料降解周期极长，会导致严重的“白色污染”。此外，传统压电体的生物可吸收性也存在显著问题，这要求在植入式医疗设备的情况下进行额外的手术清除。