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我國高校研制出可體內降解的新型壓電材料

文章來源：賢集網更新時間：2024-04-03 15:34:09

近日，東南大學牽頭的科研團隊設計制備出一種能夠在生物體內自然降解的新型壓電材料，為今后研發“微型機器人醫生”提供了一條重要技術路徑。國際學術期刊《科學》29日發表了相關論文。

什么是壓電材料？

壓電材料在生活中很常見，比如醫院做B超檢查的手持探頭里，就有壓電陶瓷晶片。壓電材料能夠將壓力與電信號相互轉化，因此是不少傳感器的關鍵組件。

壓電材料是研制壓電換能器的重要環節之一，目前常用的壓電材料有以下兩類：壓電陶瓷和石英晶體。

（1）壓電石英晶體

石英晶體又稱水晶，其性能穩定，不管是隨溫度還是隨時間性能的變化都很小， -190°C時壓電常數僅比室溫時下降1.3%， 200°C以下時，壓電常數幾乎與溫度無關。晶體的力學性能良好，易于切割、研磨和拋光加工，機械損耗小，機械Q值可高達106。介電系數較低，諧振時阻抗較高，廣泛用來制作標準頻率控制的振子及高選擇性的濾波器，作為超聲換能器材料可用來制作大功率發射器，并可在高溫下工作。目前，尚未見到石英晶體用于超聲加工換能器的報道。

（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷具有多方面的適應性，從物理性質的角度看，它是堅硬的，具有能夠施加或承受很大應力的能力，而從化學性質的角度看，它是“惰性”的，不受潮濕和其他氣候條件的影響。壓電陶瓷材料的制作方法與絕緣陶瓷材料類似，簡便易行，幾乎可以做成任何需要的形狀和尺寸，并可以方便地選擇其極化方向。非常適合用于換能器的制作。壓電陶瓷可以通過改變其化學組分及添加雜質來改變其性能，以適應各種不同的用途。

壓電材料主要特性：

一般來說，壓電材料應具備以下幾個主要特性：

（1）轉換特性：要求具有較高的壓電常數d33；

（2）機械性能：機械強度高、剛度大；

（3）電性能：高電阻率和高介電常數，防止加載驅動電場時被擊穿；

（4）環境適應性：溫度和濕度穩定性好，要求具有較高的居里點，工作溫度范圍寬；

（5）時間穩定性：要求壓電性能不隨時間變化，增強壓電材料工作穩定性和壽命。

描述晶體材料的彈性、壓電、介電性質的重要參數，如介電常數、彈性系數和壓電常數等，決定了壓電材料的基本性能。描述交變電場中壓電材料介電行為的介質損耗角正切（tan δ），描述彈性諧振時的力學性能的機械品質因數Qm及描述諧振時的機械能與電能相互轉換的機電耦合系數k等，決定了壓電材料的具體應用方向。在壓電材料的研究及實際應用中，以上參數都極為重要。

我國高校研制出可體內降解的新型壓電材料

3月29日，最新一期《科學》（Science）以長文形式發表題為“具有大壓電響應的可生物降解鐵電分子晶體”的文章，該成果由東南大學團隊完成，科研人員首次將鐵電化學與生物電子學有機結合，創新性地開發了一例壓電響應直追無機陶瓷鈦酸鋇（BTO）的可生物降解有機鐵電晶體。這是自1880年居里兄弟發現壓電效應以來的一個里程碑式的重大突破。

壓電材料是一類可以實現機械應力和電信號相互轉換的功能材料。目前無機壓電陶瓷和壓電聚合物占據了應用的主流，但它們是不可生物降解的，故這些傳統壓電材料制成的植入式電子器件應用于人體將面臨二次手術移除的風險。基于可生物降解材料的植入式瞬態電子器件有望為醫學領域帶來重要變革，這些電子器件能夠在可控的時間內工作，完成工作后自行溶解在體內，且不產生有毒有害的物質。分子鐵電材料具有合成簡單、易于加工、輕量、生物相容性好和物理性能可調等獨特優勢，有望成為植入式瞬態電子器件的理想候選材料。因此，亟待開發具有高壓電性的可生物降解分子鐵電材料。

“分子鐵電材料具有合成簡單、易于加工、輕量、生物相容性好和物理性能可調等獨特優勢，有望成為植入式瞬態電子器件的理想候選材料。”熊仁根介紹，基于鐵電化學的氫/氟取代策略和晶體工程，合作團隊開發了一例有機小分子鐵電體，實現了小分子壓電性能四倍的提升，起到了“四兩撥千斤”的作用。

這一發現使得可植入式壓電材料的壓電性能達到新的高度。實驗和測試證明該化合物兼具良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性。同時，團隊制備了一種壓電復合薄膜，并組裝一個可控的瞬態機電器件，證實具有良好的生物傳感性能。“這一研究為可降解植入式電子醫療器件提供了有前途的候選材料，也為分子壓電材料提供了與人體健康密切相關的重要應用。”熊仁根說。

東南大學的研究成果使得可植入式壓電材料的壓電性能達到新的高度。《科學》審稿人對于該工作給予了高度評價，認為它是瞬態可植入壓電材料領域里程碑式的關鍵突破。

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