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壓電是機械能與電耦合在一起的材料性質，這也是許多生物系統中中常見的現象。一個多世紀以來，壓電材料的研究在加工技術、性能增強和多功能性方面，無機壓電晶體取得了進步。為了用于生物技術，這些材料還必須表現出靈活性、生物兼容性和可生物降解性，這就必須合成壓電生物材料。

壓電生物材料，例如絲綢、膠原蛋白、氨基酸、幾丁質、纖維素和病毒顆粒，可以提供生物材料的許多潛在有益特性，如可靠性、生物相容性、可復制性和靈活性。它們大多是可生物降解的，其生產被認為是環境可持續的。然而，由于缺乏大規模組裝和域對齊，對其壓電性的研究仍主要在概念層面。在這一組有趣的壓電生物材料中，最簡單的氨基酸甘氨酸以高壓電系數（d₃₃高達10 pC/N）和非凡的穩定性（γ-甘氨酸）脫穎而出。然而，與許多無機分子類似，純甘氨酸往往形成具有非常高楊氏模量（~30 GPa）的易碎塊狀晶體。此外，甘氨酸需要極高的電場（大于GV/m）來對齊結構域，這使得其多晶薄膜表現出宏觀壓電性相當具有挑戰性。

第一作者：楊帆（西南交通大學與美國威斯康星大學麥迪遜分校博士聯合培養）

共通第一作者：Jun Li

通訊作者：威斯康星大學王旭東教授

第一單位：威斯康星大學麥迪遜分校；第二單位：西南交通大學

威斯康星大學王旭東教授課題組在Science發表最新成果，Wafer-scale heterostructured piezoelectric bio-organic thin films，報道了異構壓電甘氨酸薄膜晶圓尺度合成的自組裝策略，合成薄膜表現出優異、穩定和均勻的壓電性能，以及出色的靈活性和生物兼容性。

作者提出了一種基于γ-甘氨酸晶體的壓電生物材料薄膜的晶圓尺度方法。薄膜具有夾層結構，其中結晶甘氨酸層自組裝，并在兩塊聚乙烯醇（PVA）薄膜之間自動對齊，甘氨酸-PVA薄膜由其混合物溶液在60°C直接凝固合成（圖1），方法非常簡單。與純甘氨酸晶體相比，機械靈活性幾乎增強了一個數量級。異構型甘氨酸-PVA薄膜的壓電系數為5.3 pC/N或者157.5×10^?3?Vm/N，這與商業壓電軟材料（如PVDF）相當。甘氨酸-PVA薄膜具有生理環境中的自然兼容性和可降解性，可以開發瞬態植入式機電設備，為了證明在生物系統中的應用潛力，在成年大鼠體內測試了PLA包裝甘氨酸-PVA薄膜的壓電性能。

圖文詳情

從土木工程跨界到材料，西南交通大學博士生一作發表Science！