四川大學(xué)吳家剛教授團隊在“無鉛壓電材料+醫(yī)學(xué)”交叉研究方面取得新進展

壓電材料能夠?qū)崿F(xiàn)機械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，是重要的智能材料，能被集成到眾多的可植入/可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)（IWMS）中，包括超聲傳感器、壓力傳感器和電刺激器等。由于壓電材料的獨特機電特性，它們在自供電或無線供電的生物電子學(xué)中具有重要的應(yīng)用潛力，可以避免使用常用的容量有限且有毒的化學(xué)電池。同時由于具有與生物很好的相容性，可以有望在醫(yī)學(xué)開展應(yīng)用，推進“材料+醫(yī)學(xué)”發(fā)展。

該團隊聚焦“無鉛壓電材料+醫(yī)學(xué)”交叉研究，近日在《Science Advances》和《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Flexible, biodegradable ultrasonic wireless electrotherapy device based on highly self-aligned piezoelectric biofilms”和"Lead-free dual-frequency ultrasound implants for wireless, biphasic deep brain stimulation"的最新研究性論文。四川大學(xué)均為第一署名單位，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳家剛教授和蔣來明副研究員、四川大學(xué)國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心范紅松教授、四川大學(xué)華西醫(yī)院彭星辰教授為通訊作者。

可生物降解壓電器件在按需瞬態(tài)生物學(xué)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，現(xiàn)有的壓電生物材料由于難以進行大規(guī)模晶體取向排列和壓電性較弱等缺點，仍是開發(fā)此類器件的阻礙。在此，該團隊提出了一種以密度泛函理論為指導(dǎo)，通過超聲輔助工藝合成最優(yōu)取向、自發(fā)排列的壓電γ-甘氨酸/聚乙烯醇（γ-glycine/PVA）薄膜的新策略。第一性原理計算顯示，γ-甘氨酸的負(fù)壓電效應(yīng)源于氫鍵相互作用引起的甘氨酸分子的拉伸和壓縮。合成的γ-glycine/PVA薄膜顯示出10.4 pC N-1的壓電性能和324×10-3 Vm N-1的超高壓電電壓系數(shù)。該生物薄膜被進一步開發(fā)為柔性、生物可吸收、無線壓電超聲電療設(shè)備（b-WPUE），在臨床傷口模型中，b-WPUE能縮短約40%的傷口愈合時間，并能自我降解，為壓電生物薄膜工程和瞬態(tài)生物電子設(shè)備的開發(fā)提供了可靠的方法。

超聲驅(qū)動的生物電子學(xué)可提供一種可持續(xù)供電的無線方案。然而，目前的超聲植入系統(tǒng)在生物兼容性和與有鉛/無鉛壓電材料和器件相關(guān)的采集性能方面均面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此，該論文報告了一種用于無線雙相深部腦刺激（DBS）的無鉛雙頻超聲植入體，將兩種開發(fā)的無鉛夾層多孔1-3型壓電復(fù)合元件集成在柔性印刷電路板中，具有增強的采集性能。重要的是，該植入物通過便攜式外部雙頻換能器為超聲波供電，產(chǎn)生臨床相關(guān)頻率的可編程雙相刺激脈沖。最后，還通過癲癇嚙齒動物模型展示了超聲驅(qū)動植入物在深部腦刺激中的長期生物安全療法，為未來開發(fā)植入式超聲電子器件提供一個可替代平臺。

上述研究得到國家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合基金重點項目、四川大學(xué)工科特色團隊項目等經(jīng)費支持。

吳家剛，教授，博士生導(dǎo)師，擔(dān)任ACS Applied Materials & Interfaces副編輯和中國物理學(xué)會電介質(zhì)物理專業(yè)委員會副主任兼秘書長。研究方向為高性能無鉛壓電陶瓷及器件。

蔣來明，副研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向為高性能壓電材料及其器件的研發(fā)。已在Sci Adv、Nat Commun、Adv Mater、Prog Mater Sci等國際高水平期刊上陸續(xù)發(fā)表多篇論文。

范紅松，四川大學(xué)國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心教授，博士生導(dǎo)師，國務(wù)院特殊津貼專家。研究方向主要為組織再生生物材料與組織工程、納米生物材料與柔性神經(jīng)電極界面。已在Nat Commun、ACS nano、Small等國際高水平期刊上陸續(xù)發(fā)表多篇論文。

彭星辰，四川大學(xué)華西醫(yī)院教授，博士生導(dǎo)師，“教育部重要人才計劃”青年學(xué)者。主要從事惡性腫瘤放療、化療、靶向治療和免疫治療為主的綜合治療。研發(fā)成果獲四川省科技進步二等獎（第一完成人）等。