同濟(jì)施劍林院士/逯向雨團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》綜述：壓電催化醫(yī)學(xué)- 壓電醫(yī)學(xué)的新興前沿

廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、能源、航空航天、環(huán)保等領(lǐng)域的壓電材料，近年來(lái)在醫(yī)療領(lǐng)域顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。這些壓電材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，稱為“壓電醫(yī)學(xué)”。壓電材料具有獨(dú)特的壓電性能，可通過(guò)所受應(yīng)力誘導(dǎo)電荷載流子的分離，高效地催化化學(xué)反應(yīng)，還可產(chǎn)生電信號(hào)影響生命活動(dòng)，甚至可以利用周圍環(huán)境中相對(duì)微弱和分散的能量資源，如人體運(yùn)動(dòng)和心臟跳動(dòng)，給自供能的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來(lái)可能，并可以嵌入智能化設(shè)備當(dāng)中，因此被應(yīng)用于疾病治療、有毒物質(zhì)降解和生物傳感等醫(yī)療領(lǐng)域，呈現(xiàn)出蓬勃的前景。目前，盡管相關(guān)壓電材料的研究發(fā)展迅速，但其在醫(yī)療領(lǐng)域尚無(wú)系統(tǒng)總結(jié)。

近日，同濟(jì)大學(xué)的施劍林院士團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》(IF=32.086)上發(fā)表題為“Piezocatalytic medicine: an emerging frontier using piezoelectric materials for biomedical applications”的綜述論文，為促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，提出“壓電催化醫(yī)學(xué)”的概念，系統(tǒng)地總結(jié)壓電催化劑在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。壓電催化醫(yī)學(xué)(PCM)：壓力觸發(fā)壓電材料釋放電子/空穴催化底物的氧化還原反應(yīng)，或產(chǎn)生電刺激干預(yù)生物過(guò)程生成效應(yīng)分子，用于疾病治療、降解有機(jī)物或傳感等醫(yī)療領(lǐng)域。壓電催化醫(yī)學(xué)由醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉形成，旨在通過(guò)壓電材料的催化作用引導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)可控、無(wú)創(chuàng)、高效、甚至智能化的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，為守護(hù)人類健康提供新技術(shù)。為了進(jìn)一步開(kāi)拓新型醫(yī)療技術(shù)手段，尤其是疾病的治療模式，該綜述總結(jié)了壓電催化醫(yī)學(xué)的新研究進(jìn)展。在本文中，作者首先概述了壓電催化的原理及相關(guān)壓電材料的設(shè)計(jì)與制備，隨后深入總結(jié)了壓電材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，后對(duì)壓電催化醫(yī)學(xué)的主要挑戰(zhàn)和未來(lái)前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。

內(nèi)容要點(diǎn)：壓電效應(yīng)是指在缺少對(duì)稱中心的晶態(tài)物質(zhì)中，由機(jī)械變形產(chǎn)生電極化現(xiàn)象和反之由電場(chǎng)極化引發(fā)機(jī)械變形的現(xiàn)象。壓電材料可以通過(guò)壓電效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)，反之亦然。在此過(guò)程中，壓電材料的正負(fù)電荷中心被分離，產(chǎn)生壓電勢(shì)。壓電效應(yīng)引起的高效界面電荷轉(zhuǎn)移賦予壓電材料良好的氧化還原催化活性。在壓力作用下，壓電材料可以釋放電子/空穴，催化底物的氧化還原反應(yīng)，這被稱為“壓電催化”。作者根據(jù)經(jīng)典的研究對(duì)壓電催化的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)明的描述，包括能帶理論和篩選電荷效應(yīng)。簡(jiǎn)略概述了壓電催化劑的設(shè)計(jì)、制備和表征，并指出了高性能壓電催化劑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。能帶理論原理：壓電催化劑的能帶結(jié)構(gòu)(價(jià)帶和導(dǎo)帶)決定其催化特定化學(xué)反應(yīng)的能力，壓電勢(shì)可以調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)，并控制內(nèi)部載流子向催化劑表面的遷移。具體來(lái)說(shuō)，壓電材料在受到外界機(jī)械刺激下發(fā)生極化，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致材料形變，極化電位的正負(fù)電荷隨之分布在壓電材料的兩側(cè)，而此間產(chǎn)生的電荷參與到化學(xué)反應(yīng)中。如圖2所示，由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的壓電電勢(shì)會(huì)改變壓電材料的價(jià)帶(VB)和導(dǎo)帶(CB)的能量變化，使在壓電材料界面上的電荷交換容易發(fā)生，從而高效催化氧化還原反應(yīng)。

篩選電荷效應(yīng)原理：壓電勢(shì)作為驅(qū)動(dòng)力催化反應(yīng)的發(fā)生。如圖3所示，參與氧化還原反應(yīng)的電荷是來(lái)自外部系統(tǒng)的表面吸附的篩選電荷，而不是來(lái)自材料的內(nèi)部電荷。在此過(guò)程中，壓電電位的大小應(yīng)該完全達(dá)到或超過(guò)氧化還原電位水平才能觸發(fā)反應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，在壓電極化場(chǎng)作用下，水分子或氫氧根離子會(huì)被吸引到材料表面，以補(bǔ)償極化束縛電荷，隨后會(huì)發(fā)生離解過(guò)程，在材料表面產(chǎn)生電子，繼而參與到氧化還原反應(yīng)中。

作者系統(tǒng)總結(jié)了壓電催化醫(yī)學(xué)在腫瘤治療、抗菌治療、有機(jī)物降解、組織修復(fù)與再生、生物傳感等方面的新研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)、機(jī)理、應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和不足。在腫瘤治療中，壓電催化治療的機(jī)理可以簡(jiǎn)單概括為:（1）催化產(chǎn)生活性物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，殺死癌細(xì)胞;（2）產(chǎn)生電信號(hào)影響生物活動(dòng)，從而促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡;（3）作為納米發(fā)電機(jī)，增強(qiáng)催化治療效果。在抗菌治療中，其催化產(chǎn)生的活性物質(zhì)會(huì)參與細(xì)菌代謝的電子轉(zhuǎn)移鏈，從而破壞細(xì)菌細(xì)胞壁，使細(xì)菌蛋白質(zhì)變性；同時(shí)，壓電催化劑的正電荷表面也會(huì)干擾細(xì)菌的活性，這些抗菌機(jī)制均規(guī)避了細(xì)菌耐藥性，使廣譜抗菌成為可能。在有機(jī)毒性物質(zhì)的降解中，例如降解抗生素和致癌毒物的過(guò)程中，其催化產(chǎn)生的活性物質(zhì)對(duì)有機(jī)物表現(xiàn)出很高的降解活性。由于電荷可以影響組織的發(fā)育和再生，壓電材料產(chǎn)生的電刺激可影響其與細(xì)胞的相互作用和生物過(guò)程，故其被廣泛應(yīng)用于組織修復(fù)和再生工程。而在生物傳感中，壓電傳感器一方面可以利用其機(jī)電耦合特性，從環(huán)境或人體活動(dòng)(如行走、心跳和呼吸)中收集低強(qiáng)度動(dòng)能，進(jìn)行信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換;另一方面，它們可以通過(guò)高效的催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)超高反應(yīng)速率，因此，可進(jìn)行呼吸、心跳、生物分子和病毒等的檢測(cè)和傳感。此外，近報(bào)道的部分壓電醫(yī)用材料還可以與生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的其他技術(shù)結(jié)合使用，發(fā)揮好的效力，例如結(jié)合電磁催化療法引發(fā)目標(biāo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，結(jié)合光動(dòng)力或聲動(dòng)力療法抗細(xì)菌感染并促進(jìn)傷口愈合等。本文對(duì)以上研究均有系統(tǒng)介紹。作者深入分析了壓電催化醫(yī)學(xué)在材料設(shè)計(jì)、機(jī)理研究、安全評(píng)估、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)合療法等方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的潛在解決策略。這一成果得到了編輯和審稿專家的一致認(rèn)可，同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院碩士研究生陳思為論文作者，通訊作者為同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院逯向雨助理教授和施劍林院士。

同濟(jì)大學(xué)已經(jīng)在我單位采購(gòu)了ZJ-3型壓電測(cè)試儀和PZT-JH30/3型壓電極化裝置，這些都是在壓電材料方面廣泛使用的設(shè)備，相信對(duì)于科研發(fā)展和研究有著重要意義。