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瞬态植入式压电材料是生物传感、药物输送、组织再生、抗菌和肿瘤治疗的理想材料。要在人体中使用，这些材料必须具有柔韧性、生物相容性和生物降解性。这些要求对于传统的无机压电氧化物和压电聚合物来说具有挑战性。
2024年3月28日，东南大学/南昌大学熊仁根院士、马里兰大学Ren Shenqiang、南京大学顾宁院士团队合作在Science期刊发表题为“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response”的研究论文，东南大学张含悦副研究员、南昌大学汤渊源教授、南京大学Gu Zhu-Xiao、东南大学Wang Peng为论文共同第一作者，张含悦副研究员、顾宁院士、Ren Shenqiang、熊仁根院士为论文共同通讯作者。
张含悦，东南大学生物科学与医学工程学院副研究员，专注于铁电化学、有机功能材料和压电材料的生物医学应用等研究。
汤渊源，南昌大学有序物质科学研究院教授，专注于利用压电力显微镜对分子铁电材料进行畴工程的研究。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946该研究发现分子晶体HOCH2(CF2)3CH2OH[2,2,3,3,4,4-六氟戊烷-1,5-二醇（HFPD）]表现出强烈的压电响应，在无极化条件下，其压电系数d33约为138pC/N，压电电压常数g33约为2450×10-3Vm/N、 它还对生物细胞具有良好的生物相容性，在生理环境中具有理想的生物降解性和生物安全性。HFPD可以与聚乙烯醇复合形成d33为34.3pC/N的柔性压电薄膜。该材料展示了分子晶体具有优异压电特性的能力，在瞬时植入式机电设备中的应用应该会很有意义。
图1. HFPD的晶体结构和相变
该研究报道的压电分子晶体HOCH2(CF2)3CH2OH（HFPD）显示出强烈的压电响应。在无极化条件下，d33可达约138pC/N，压电电压常g33为约2450×10−3Vm/N。发现d33超过100pC/N的分子晶体是自1880年发现压电效应以来的一个重大进展。
通过分子中末端羟基的O-H···O相互作用形成的二维（2D）氢键网络使 HFPD 晶体在各种溶剂中具有良好的溶解性，并使其具有生物可降解性。此外，研究人员将材料出色的压电响应归因于杨氏模量的各向异性，杨氏模量来自晶体结构中二维氢键网络和链上的F原子的有序排列。
同时，研究人员还制作了HFPD-PVA薄膜，这是一种可用于生物医学设备设计的复合材料，展示了一系列对生物医学应用至关重要的属性。除了高柔韧性和生物相容性外，正如用多种类型的细胞培养薄膜所证明的那样，这些薄膜对培养的细胞也没有明显的毒性，并且在生理环境中表现出出色的生物降解和生物安全性，这通过大鼠体内评估得到证实，包括皮下植入测试。此外，HFPD-PVA （2：1） 复合薄膜具有很强的压电性，具有d33测量值为34.3 pC/N。
HFPD-PVA薄膜的卓越性能表明，它们适合作为药物递送的载体，以及开发用于治疗干预的自供电瞬态能量收集装置，这些薄膜有望作为支持组织修复和再生的支架用于再生医学。进一步的研究可以集中在探索这种先进压电材料的弹性化技术上，其弹性铁电体为扩展植入式设备应用提供了广阔的潜力。
图3. HFPD的压电性能
图4. HFPD-PVA薄膜的表征
图5. HFPD的生物相容性和生物降解性
总之，该研究提出了一种简单的铁电分子晶体HFPD，其压电性优于PVDF，而且获得的压电性不需要拉伸和极化等预处理。HFPD中的二维氢键网络在成膜制造和无污染回收方面具有明显优势。HFPD-PVA薄膜不仅柔韧性好、生物相容性高、对生物细胞无明显毒性，而且在生理环境中具有良好的生物降解性和生物安全性。该研究为开发瞬态植入式机电设备提供了基本模板和潜在灵感。
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