顶刊综述（IF=55.8）：自然启发的压电材料——用生命原料打造下一代生物电子与医疗器件

近年来，随着可穿戴电子、植入式装置与医疗健康技术的迅速发展，对能够实现能量采集、信号传感和组织交互的功能材料需求日益增长。压电材料因可在机械能与电能之间实现双向转换，已成为现代电子与医疗设备中的关键功能元件，被广泛应用于健康监测、疾病诊断、药物递送、癌症治疗、组织再生、神经调控及防污抗附着等先进生物医学领域。

然而，传统压电材料的固有缺陷限制了其在生物体系中的应用。无机材料（如PZT）含有有毒铅元素且刚性大、难加工；聚合物材料（如PVDF）虽具生物相容性，但难以在体内或自然环境中降解，可能引发生物安全与环境可持续性问题。

基于此，压电生物材料（piezoelectric biomaterials）作为可在体内降解或源自生物体系的材料，近年来受到广泛关注。这类材料兼具天然柔性、生物相容性与可降解性。自1941年Martin首次报道羊毛与头发中的压电效应以来，科学家已在多种天然材料中观察到压电行为，包括氨基酸、多肽、木材、骨骼、肌腱、小肠肠衣，皮肤组织及病毒等。然而，生物体系中压电响应通常较弱，结构控制难度大，这成为该领域发展的主要瓶颈。如何在保持生物相容性的同时实现高性能压电输出，是研究者们亟待突破的关键科学问题。

近日，香港科技大学杨征保教授与斯坦福大学张卓敏博士在国际顶级期刊Chemical Reviews（影响因子55.8）发表题为“Design and Manufacturing of Piezoelectric Biomaterials for Bioelectronics and Biomedical Applications”的综述论文。论文第一作者是张卓敏，王禛祺；通讯作者为杨征保，张卓敏；通讯单位为香港科技大学机械与航空工程系。

论文链接：

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

该工作系统总结了压电生物材料的设计、模拟、制造与应用，为构建柔性、可降解、智能化的生物电子体系提供了完整研究框架。

作者从四个层面进行深入分析：

1.分子设计与理论建模 —— 基于密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟，揭示极化取向、分子堆积与氢键网络对压电性能的决定作用。

2.分子工程与结构调控 —— 总结氢/氟替代、超分子共组装、基因修饰等多种策略，实现从分子结构到宏观性能的可编程调控。

3.多场驱动制造策略 —— 归纳机械力、电场、磁场与热场等协同作用下的制造方法，构建分子到宏观的有序取向结构。

4.生物电子与医疗应用 —— 展示材料在传感器、能量采集、组织工程、神经调控、压电催化医学等方向的前沿进展，突显其在下一代医疗电子中的巨大潜力。

论文还指出，未来的发展将依赖跨学科融合，通过人工智能驱动设计与高分辨增材制造，实现“无源、可降解、智能响应”的医疗电子新体系。

图1. 天然生物压电材料的自组装与医学应用

图2.机械力驱动的压电生物材料制备方法。

图3.尖端诱导电场驱动的压电生物材料制备方法。

图4.基于压电生物材料的能量收集器。

图5.挑战与未来展望

总结与展望

压电生物材料正处于生物电子学与生物医学的交汇前沿，它们以可降解、可持续、功能多样的特性，有望重塑医疗电子的未来格局。尽管在材料发现、制造工艺和器件验证方面已取得显著进展，但要实现临床转化仍需解决以下关键问题：

• 提升压电性能与稳定性；
• 建立可靠、准确的表征与标准化体系；
• 实现可规模化、可扩展的复杂结构制造工艺；
• 确保与生理环境的长期稳定耦合与可控降解；
• 实现无线化与自供能集成，构建真正的自主医疗系统。

未来的突破将依赖于跨学科的协作，结合材料科学、化学、物理、生物工程、电子学与计算建模。作者特别指出，人工智能驱动的材料设计、高分辨率增材制造和原位自组装技术将成为实现个性化、智能化生物电子的重要推动力。随着研究的不断深入，压电生物材料有望引领“无源、可降解、智能响应”的新一代医疗电子革命。

作者信息

该论文第一作者为斯坦福大学博士后研究员张卓敏博士和香港科技大学博士生王禛祺，香港科技大学杨征保教授与张卓敏博士为通讯作者，其他作者还包括香港科技大学研究助理教授李学木博士与香港城市大学博士生郑毅。该工作体现了团队在压电生物材料领域的持续探索与理论创新，对推动下一代智能生物电子和医疗器件发展与应用具有重要意义。

课题组网站：https://yanglab.hkust.edu.hk/

课题组近年来在压电生物材料领域相关研究成果：

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.

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。

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