从土木工程跨界到材料，西南交通大学博士生一作发表Science！

2023年10月14日上午11:11 • 顶刊解读

压电是机械能与电耦合在一起的材料性质，这也是许多生物系统中中常见的现象。一个多世纪以来，压电材料的研究在加工技术、性能增强和多功能性方面，无机压电晶体取得了进步。为了用于生物技术，这些材料还必须表现出灵活性、生物兼容性和可生物降解性，这就必须合成压电生物材料。

压电生物材料，例如丝绸、胶原蛋白、氨基酸、几丁质、纤维素和病毒颗粒，可以提供生物材料的许多潜在有益特性，如可靠性、生物相容性、可复制性和灵活性。它们大多是可生物降解的，其生产被认为是环境可持续的。然而，由于缺乏大规模组装和域对齐，对其压电性的研究仍主要在概念层面。在这一组有趣的压电生物材料中，最简单的氨基酸甘氨酸以高压电系数（d₃₃高达10 pC/N）和非凡的稳定性（γ-甘氨酸）脱颖而出。然而，与许多无机分子类似，纯甘氨酸往往形成具有非常高杨氏模量（~30 GPa）的易碎块状晶体。此外，甘氨酸需要极高的电场（大于GV/m）来对齐结构域，这使得其多晶薄膜表现出宏观压电性相当具有挑战性。

第一作者：杨帆（西南交通大学与美国威斯康星大学麦迪逊分校博士联合培养）

共通第一作者：Jun Li

通讯作者：威斯康星大学王旭东教授

第一单位：威斯康星大学麦迪逊分校；第二单位：西南交通大学

威斯康星大学王旭东教授课题组在Science发表最新成果，Wafer-scale heterostructured piezoelectric bio-organic thin films，报道了异构压电甘氨酸薄膜晶圆尺度合成的自组装策略，合成薄膜表现出优异、稳定和均匀的压电性能，以及出色的灵活性和生物兼容性。

作者提出了一种基于γ-甘氨酸晶体的压电生物材料薄膜的晶圆尺度方法。薄膜具有夹层结构，其中结晶甘氨酸层自组装，并在两块聚乙烯醇（PVA）薄膜之间自动对齐，甘氨酸-PVA薄膜由其混合物溶液在60°C直接凝固合成（图1），方法非常简单。与纯甘氨酸晶体相比，机械灵活性几乎增强了一个数量级。异构型甘氨酸-PVA薄膜的压电系数为5.3 pC/N或者157.5×10⁻³ Vm/N，这与商业压电软材料（如PVDF）相当。甘氨酸-PVA薄膜具有生理环境中的自然兼容性和可降解性，可以开发瞬态植入式机电设备，为了证明在生物系统中的应用潜力，在成年大鼠体内测试了PLA包装甘氨酸-PVA薄膜的压电性能。

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从土木工程跨界到材料，西南交通大学博士生一作发表Science！