压电材料能够实现机械能和电能之间的相互转换，是重要的智能材料，能被集成到众多的可植入
/
可穿戴医疗系统（
IWMS
）中，包括超声传感器、压力传感器和电刺激器等
。然而，现有的压电生物材料由于难以进行大规模晶体取向排列和压电性较弱等缺点，仍是开发此类器件的阻碍。在此，来自
四川大学吴家刚教授
团队提出了一种以密度泛函微扰理论为指导，通过超声辅助工艺合成最优取向、自发排列的压电
γ
-
甘氨酸
/
聚乙烯醇（γ
-glycine/PVA
）薄膜的新策略。合成的γ
-glycine/PVA
薄膜显示出
10.4 pC N-1
的压电性能和
324
×
10-3 Vm N-1
的超高压电电压系数。该生物薄膜被进一步开发为柔性、生物可吸收、无线压电超声电疗设备（
b-WPUE
），在临床伤口模型中，
b-WPUE
能缩短约
40%
的伤口愈合时间，并能自我降解，为压电生物薄膜工程和瞬态生物电子设备的开发提供了可靠的方法。
当外部超声激活设备时，压电薄膜产生电流，通过电极促进肉芽组织
发育
和血管生成，加速伤口愈合（图
1A
）。设备由
γ-
甘氨酸
/PVA
薄膜和
PIN
二极管组成的声电转换模块和蛇形钼电极构成，能够灵活附着伤口表面（图
1B-C
）。在
37°C
下，
γ-
甘氨酸
/PVA
薄膜两周内降解，
36
周后钼电极几乎完全消失（图
1D
）。
接着研究人员
通过理论计算和电荷分布图展示了
γ-
甘氨酸的负压电效应及其起源。电荷分布图显示氢键对极性结构的形成至关重要（图
2A
、
B
）。通过计算，
γ-
甘氨酸的极化强度为
0.688 C m-2
，主要沿负
c
轴生成（图
2C
），
d33
是
γ-
甘氨酸中最显著的压电系数，达到
9.53 pC N−1
，
尽管
本研究
报告了正的
d33
值，但
γ-
甘氨酸与
P31
的极化沿
c
轴为负，这意味着
γ-
甘氨酸表现出纵向负压电效应。（图
2D
）。最大
d33
效应出现在
c
轴方向（图
2E
、
F
）。该效应源于外场作用下分子间氢键的变化：拉伸减弱氢键、减少极化，压缩则相反（图
2G
、
H
）。此外，由于
γ-
甘氨酸晶体的分子性质，它们表现出比传统钙钛矿铁电体更柔软的特性，
更适用于柔性器件的设计。
为了优化
γ-
甘氨酸的压电性，采用超声辅助混合固化的方法合成了自组装的
γ-
甘氨酸
/PVA
薄膜。
γ-
甘氨酸
/PVA
复合膜通过超声辅助混合
-
固化法制备，形成夹心结构，在
PVA
层之间逐层生长
γ-
甘氨酸晶体
（图
3A-C
）
。软
PVA
包封层极大地提高了刚性甘氨酸晶体夹心生物膜的柔韧性。随着甘氨酸与
PVA
比例的增加，薄膜的拉伸性和拉伸应变降低
(
图
3D)
。
XRD
和
Raman
光谱表明，当甘氨酸与
PVA
的比例为
2:1
时，薄膜中以压电活性的
γ
相甘氨酸为主，并且通过
PFM
测量证实其铁电性和优异的极化取向
（图
3G-I
）
。该比例下薄膜的压电系数
d33
达到最大值，展现出良好的压电性能，适合于生物传感器及能量采集应用。
图
4
展示了
b-WPUE
设备的无线性能验证过程。通过超声平台在去离子水中进行声波发射、传输和接收，结果表明
b-WPUE
能够有效收集超声能量并转换为电信号，输出电压与触发电压呈正相关（图
4D
）。电场强度足够用于伤口电疗，加速愈合（图
4E
）。此外，
钼
电极展现了良好的电导性和生物降解特性（图
4F
），且设备的输出电压在生理条件下的功能寿命为
12-14
天（图
4G
）
。
为探究
b-WPUE
在动物模型中加速伤口愈合的过程。四组实验对比显示，接受
b-WPUE
联合超声刺激（
b-WPUE + US
）组伤口愈合显著加快，愈合速度
较对照组
提高约
40%
，并在
第
10
天时接近完全愈合（图
5A-C
）。组织学分析显示
联合刺激组
在
损伤后的
第
6
天和第
12
天
均可显著促进组织再生
，皮肤附属器官和有序的胶原纤维生成明显增强（图
5E-G
）。免疫荧光
及补充数据
表明，电刺激促进了
新生
血管
和成熟血管生成
、
M2
巨噬细胞极化，并减少了促炎因子的表达（图
5H-I
）。
以上
发现
表明
，
b- WPUE
在
US
激发下具有优越且稳定的电输出，可以促进肉芽组织发育、胶原沉积、血管生成和抗炎功能，在改善手术伤口愈合方面发挥了重要作用。
b-WPUE
的生物相容性和生物降解性评估
如图
6
所示
。通过活
/
死细胞染色和
CCK-8
试验，结果表明
b-WPUE
对
Hacat
细胞无毒性，细胞存活率超过
90%
且在
3
天内细胞数量增加近
6
倍（图
6A-C
）。在体内降解性方面，
b-WPUE
在小鼠背部植入后，经过
10
天逐渐被吸收，显示出良好的生物
可
降解性（图
6D
）
。
全血分析显示植入期间无异常，组织学检查未发现组织损伤或免疫反应（图
6H
），表明
b-WPUE
具有良好的生物相容性和长期生物安全性。
综上所述，这一
柔性、生物可吸收、无线压电超声电疗设备展示了基于
γ-
甘氨酸
/PVA
的
b-WPUE
在促进手术伤口愈合中的有效性，提供了新的临床应用前景
，为压电生物薄膜工程和瞬态生物电子设备的开发提供了可靠的方法。
该研究由
四川大学材料科学与工程学院吴家刚教授
、
蒋来明副研究员以及
四川大学华西医院彭星辰教授
团队
合作
完成，并于
2024
年
5
月31日在线发表于
Science Advances
期刊
。
论文信息：
Haoyue Xue, Jing Jin, Zhi Tan, Keliang Chen, Gengxi Lu, Yushun Zeng, Xiaolin Hu, Xingchen Peng*, Laiming Jiang*, Jiagang Wu*. Flexible, biodegradable ultrasonic wireless electrotherapy device based on highly self-aligned piezoelectric biofilms
.
Sci Adv 2024, 10: eadn0260.
供稿：刘怿斯
审校：夏婷婷
编辑：高仕杰
