隨著醫(yī)學領域對新型材料的需求不斷增長，開發(fā)具有多種應用場景的壓電材料對生物傳感器的進步具有重要意義。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)學生物力傳感器中獲得應用。然而，由于生物分子晶體內部的自組裝堆疊構型等多重因素的限制，在分子層面調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，南京大學薛斌副教授、曹毅教授、王煒教授及其團隊，提出了氟取代氨基酸用于增強分子晶體壓電特性的策略，以三種常見氨基酸為研究對象，通過氟化分子設計顯著提升了氟化氨基酸晶體的壓電性能，并構建了具有優(yōu)異傳感性能和良好生物相容性的生物力傳感器，通過載體實驗驗證了其在醫(yī)學傳感領域的廣泛應用潛力。
該團隊通過在芳香環(huán)上的氫原子處引入氟原子，構建了三種氟化氨基酸晶體，并利用單晶X射線衍射（XRD）對晶體結構進行表征，同時結合理論計算和密度泛函理論（DFT）分析，揭示了氟化氨基酸晶體的結構特征。研究發(fā)現(xiàn)，氟化氨基酸晶體具有更大的分子偶極矩、殼狀力學結構、更窄的能帶寬度和顯著不同的電子概率密度分布，這些因素共同促進了其壓電性能的顯著增強。 此外，該團隊利用壓電力響應顯微鏡（PFM）與鐵電測試儀等表征技術，獲得了微觀單晶尺度上的自發(fā)極化相圖、逆壓電效應響應結果以及電滯回線數(shù)據(jù)。與未氟化的氨基酸晶體相比，氟化氨基酸表現(xiàn)出更強的自發(fā)極化和壓電響應，并且具有優(yōu)異的鐵電性能。與已報道的多種生物材料、有機高分子及無機壓電材料相比，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建的有機全降解生物力傳感器具有體積小、柔韌性好等優(yōu)點，并表現(xiàn)出高靈敏度和寬廣的檢測范圍。氟化氨基酸傳感器的壓電電壓輸出顯著高于對照組，且在長時間循環(huán)中信號衰減極小。該團隊將該生物力傳感器植入實驗動物皮下，傳感系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的信號分辨率和長期傳感穩(wěn)定性。細胞、急性炎癥和長期體內降解實驗結果表明，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，進一步表明其在醫(yī)學傳感等領域的廣泛應用潛力。 在這項研究中，該團隊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制，結合微觀與宏觀層次的驗證，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)了有機生物力傳感器，并進一步評估了其在醫(yī)學傳感領域的應用前景。這項研究為通過分子工程設計提高生物分子晶體材料的壓電性能以及其他半導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
