仿生超分子纤维化实现可拉伸可降解压电生物电子器件的突破性进展

针对传统生物压电材料结晶化导致的生物相容性差、不可拉伸等问题，研究人员通过肽纤维化与丝素蛋白(SF)构建双网络结构，开发出具有可编程压电性(d33 达35.5±9.1 pC N?1 )的仿生超分子压电凝胶(piezogel)。该材料在宽力域内呈现线性机电响应，并成功应用于肢体运动监测和皮下植入式实时传感，为生物-机器接口和生物医学工程提供了创新解决方案。

　　

在生物医学工程领域，开发兼具生物相容性、可降解性和机电响应特性的材料一直是重大挑战。传统基于晶体结构的生物压电材料（如β-相甘氨酸晶体d₁₆
~180 pm V^?1
）存在脆性大、不可拉伸等问题，严重限制了其在柔性生物电子中的应用。而自然界中非周期性肽自组装纤维虽具有内在极性，却因力学性能不足难以实用化。

为解决这一难题，研究人员通过仿生策略，发现肽纤维化可产生本征生物压电性。以β-乳球蛋白(βLg)、两亲性短肽I₃
K和Fmoc-修饰二苯丙氨酸(Fmoc-FF)为模型，证实其自组装纳米纤维通过氢键和π-π堆积产生5.2-6.5 pm V^?1
的压电系数(d₃₃
)。通过创新性地与丝素蛋白构建双网络结构，成功获得兼具力学强度(杨氏模量26.4 kPa)和高压电性(d₃₃
达35.5±9.1 pC N^?1
)的水凝胶，其性能优于聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乳酸等传统材料。

关键技术包括：1）肽纤维化自组装技术；2）压电力显微镜(PFM)表征；3）双网络水凝胶构建；4）W型传感器结构设计；5）大鼠皮下植入模型评估生物相容性。

【肽纤维化产生本征生物压电性】
通过PFM和有限元模拟证实，I₃
K纤维因5.7 D的大偶极矩和35.8的高介电常数，展现出最优压电响应(6.5±0.9 pm V^?1
)，其粉末器件在25N压力下输出0.7V电压。

【肽纤维水凝胶基生物压电性】
I₃
K/SF质量比1:4.5时获得最佳性能平衡，拉伸时产生0.025V电压和5.8nA电流。植入小鼠90天后仅引起7%炎症细胞浸润，显著优于PVDF(21%)，且能完全降解。

【肽纤维压电凝胶基生物电子器件】
设计的W型传感器具有27.5 mV N^?1
的灵敏度和3.3V高输出，可监测膝关节弯曲运动并区分P1/P2双应变状态。串联五个器件可实现信号五倍放大。

【体内检测应用】
皮下植入大鼠背部后，器件能实时监测肌肉收缩(0.025V响应)，且7天后仅引起1.6%炎症反应，纤维化包裹厚度(69±25μm)远低于PVDF器件(624±52μm)。

该研究首次系统证实肽纤维化可产生本征压电性，通过双网络策略解决了柔性-压电性难以兼顾的难题。开发的仿生压电凝胶具有与生物组织匹配的力学性能(1-100 kPa)、优异的生物相容性和可控降解性，其线性机电响应特性突破了传统压电材料的力域限制。特别是设计的W型传感器结构，为植入式生物电子提供了新范式，在肌腱修复监测、可穿戴设备和生物能量收集等领域具有重要应用前景。研究成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为下一代生物电子器件开发提供了全新材料平台。