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我国高校研制出可体内降解的新型压电材料

文章来源：贤集网更新时间：2024-04-03 15:34:09

近日，东南大学牵头的科研团队设计制备出一种能够在生物体内自然降解的新型压电材料，为今后研发“微型机器人医生”提供了一条重要技术路径。国际学术期刊《科学》29日发表了相关论文。

什么是压电材料？

压电材料在生活中很常见，比如医院做B超检查的手持探头里，就有压电陶瓷晶片。压电材料能够将压力与电信号相互转化，因此是不少传感器的关键组件。

压电材料是研制压电换能器的重要环节之一，目前常用的压电材料有以下两类：压电陶瓷和石英晶体。

（1）压电石英晶体

石英晶体又称水晶，其性能稳定，不管是随温度还是随时间性能的变化都很小， -190°C时压电常数仅比室温时下降1.3%， 200°C以下时，压电常数几乎与温度无关。晶体的力学性能良好，易于切割、研磨和抛光加工，机械损耗小，机械Q值可高达106。介电系数较低，谐振时阻抗较高，广泛用来制作标准频率控制的振子及高选择性的滤波器，作为超声换能器材料可用来制作大功率发射器，并可在高温下工作。目前，尚未见到石英晶体用于超声加工换能器的报道。

（2）压电陶瓷

压电陶瓷具有多方面的适应性，从物理性质的角度看，它是坚硬的，具有能够施加或承受很大应力的能力，而从化学性质的角度看，它是“惰性”的，不受潮湿和其他气候条件的影响。压电陶瓷材料的制作方法与绝缘陶瓷材料类似，简便易行，几乎可以做成任何需要的形状和尺寸，并可以方便地选择其极化方向。非常适合用于换能器的制作。压电陶瓷可以通过改变其化学组分及添加杂质来改变其性能，以适应各种不同的用途。

压电材料主要特性：

一般来说，压电材料应具备以下几个主要特性：

（1）转换特性：要求具有较高的压电常数d33；

（2）机械性能：机械强度高、刚度大；

（3）电性能：高电阻率和高介电常数，防止加载驱动电场时被击穿；

（4）环境适应性：温度和湿度稳定性好，要求具有较高的居里点，工作温度范围宽；

（5）时间稳定性：要求压电性能不随时间变化，增强压电材料工作稳定性和寿命。

描述晶体材料的弹性、压电、介电性质的重要参数，如介电常数、弹性系数和压电常数等，决定了压电材料的基本性能。描述交变电场中压电材料介电行为的介质损耗角正切（tan δ），描述弹性谐振时的力学性能的机械品质因数Qm及描述谐振时的机械能与电能相互转换的机电耦合系数k等，决定了压电材料的具体应用方向。在压电材料的研究及实际应用中，以上参数都极为重要。

我国高校研制出可体内降解的新型压电材料

3月29日，最新一期《科学》（Science）以长文形式发表题为“具有大压电响应的可生物降解铁电分子晶体”的文章，该成果由东南大学团队完成，科研人员首次将铁电化学与生物电子学有机结合，创新性地开发了一例压电响应直追无机陶瓷钛酸钡（BTO）的可生物降解有机铁电晶体。这是自1880年居里兄弟发现压电效应以来的一个里程碑式的重大突破。

压电材料是一类可以实现机械应力和电信号相互转换的功能材料。目前无机压电陶瓷和压电聚合物占据了应用的主流，但它们是不可生物降解的，故这些传统压电材料制成的植入式电子器件应用于人体将面临二次手术移除的风险。基于可生物降解材料的植入式瞬态电子器件有望为医学领域带来重要变革，这些电子器件能够在可控的时间内工作，完成工作后自行溶解在体内，且不产生有毒有害的物质。分子铁电材料具有合成简单、易于加工、轻量、生物相容性好和物理性能可调等独特优势，有望成为植入式瞬态电子器件的理想候选材料。因此，亟待开发具有高压电性的可生物降解分子铁电材料。

“分子铁电材料具有合成简单、易于加工、轻量、生物相容性好和物理性能可调等独特优势，有望成为植入式瞬态电子器件的理想候选材料。”熊仁根介绍，基于铁电化学的氢/氟取代策略和晶体工程，合作团队开发了一例有机小分子铁电体，实现了小分子压电性能四倍的提升，起到了“四两拨千斤”的作用。

这一发现使得可植入式压电材料的压电性能达到新的高度。实验和测试证明该化合物兼具良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性。同时，团队制备了一种压电复合薄膜，并组装一个可控的瞬态机电器件，证实具有良好的生物传感性能。“这一研究为可降解植入式电子医疗器件提供了有前途的候选材料，也为分子压电材料提供了与人体健康密切相关的重要应用。”熊仁根说。

东南大学的研究成果使得可植入式压电材料的压电性能达到新的高度。《科学》审稿人对于该工作给予了高度评价，认为它是瞬态可植入压电材料领域里程碑式的关键突破。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_544857.html
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