隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)π滦筒牧系男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，開發(fā)具有多種應(yīng)用場(chǎng)景的壓電材料對(duì)生物傳感器的進(jìn)步具有重要意義。近年來，生物基壓電材料（如氨基酸、多肽等）因其優(yōu)異的生物相容性與可降解性，逐漸在醫(yī)學(xué)生物力傳感器中獲得應(yīng)用。然而，由于生物分子晶體內(nèi)部的自組裝堆疊構(gòu)型等多重因素的限制，在分子層面調(diào)控與提升生物材料的壓電性能依然面臨著巨大挑戰(zhàn)。 近日，南京大學(xué)薛斌副教授、曹毅教授、王煒教授及其團(tuán)隊(duì)，提出了氟取代氨基酸用于增強(qiáng)分子晶體壓電特性的策略，以三種常見氨基酸為研究對(duì)象，通過氟化分子設(shè)計(jì)顯著提升了氟化氨基酸晶體的壓電性能，并構(gòu)建了具有優(yōu)異傳感性能和良好生物相容性的生物力傳感器，通過載體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。
該團(tuán)隊(duì)通過在芳香環(huán)上的氫原子處引入氟原子，構(gòu)建了三種氟化氨基酸晶體，并利用單晶X射線衍射（XRD）對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算和密度泛函理論（DFT）分析，揭示了氟化氨基酸晶體的結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)，氟化氨基酸晶體具有更大的分子偶極矩、殼狀力學(xué)結(jié)構(gòu)、更窄的能帶寬度和顯著不同的電子概率密度分布，這些因素共同促進(jìn)了其壓電性能的顯著增強(qiáng)。 此外，該團(tuán)隊(duì)利用壓電力響應(yīng)顯微鏡（PFM）與鐵電測(cè)試儀等表征技術(shù)，獲得了微觀單晶尺度上的自發(fā)極化相圖、逆壓電效應(yīng)響應(yīng)結(jié)果以及電滯回線數(shù)據(jù)。與未氟化的氨基酸晶體相比，氟化氨基酸表現(xiàn)出更強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電響應(yīng)，并且具有優(yōu)異的鐵電性能。與已報(bào)道的多種生物材料、有機(jī)高分子及無機(jī)壓電材料相比，氟化氨基酸具有更高的壓電系數(shù)。 基于氟化氨基酸晶體構(gòu)建的有機(jī)全降解生物力傳感器具有體積小、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，并表現(xiàn)出高靈敏度和寬廣的檢測(cè)范圍。氟化氨基酸傳感器的壓電電壓輸出顯著高于對(duì)照組，且在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)中信號(hào)衰減極小。該團(tuán)隊(duì)將該生物力傳感器植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物皮下，傳感系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的信號(hào)分辨率和長(zhǎng)期傳感穩(wěn)定性。細(xì)胞、急性炎癥和長(zhǎng)期體內(nèi)降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氟化氨基酸生物傳感器具有良好的生物相容性與可降解性，進(jìn)一步表明其在醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。 在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)通過引入氟取代策略，探索了氟化氨基酸晶體壓電性能增益的機(jī)制，結(jié)合微觀與宏觀層次的驗(yàn)證，展現(xiàn)了氟化氨基酸晶體在壓電性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)?；谶@些研究，開發(fā)了有機(jī)生物力傳感器，并進(jìn)一步評(píng)估了其在醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景。這項(xiàng)研究為通過分子工程設(shè)計(jì)提高生物分子晶體材料的壓電性能以及其他半導(dǎo)體特性提供了普適的策略。 論文信息 Molecular Engineering of Amino Acid Crystals with Enhanced Piezoelectric Performance for Biodegradable Sensors Yuanqi Cheng, Tianjian Wang, Haoqi Zhu, Prof. Xueli Hu, Jing Mi, Lan Li, Yu Zhang, Jiapeng Yang, Liang Dong, Prof. Ying Li, Prof. Wenxu Sun, Prof. Xiaomei Lu, Prof. Wei Wang, Prof. Yi Cao, Prof. Bin Xue Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202500334
