港科大Sci.Adv.：TEA列印技術有望將壓電生物材料推向未來生物醫學和生物電子學

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壓電材料能夠實現機械能和電能的互相轉換，是微型/柔性生物電子、可穿戴/植入式微型裝置和生物組織治療中重要的功能性智慧材料，在生物感測、無線供電生物電子中具有巨大的應用潛力。目前，無機壓電陶瓷 [如鈮鎂酸鉛（PMN-PT）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈮酸鉀鈉（KNN）] 和壓電聚合物 [如聚偏氟乙烯（PVDF）] 佔據了應用的主流，但這些材料是剛性、有毒的（如鉛元素），無法滿足生物降解的要求。與此相比，天然壓電生物材料由於其出色的便攜性、生物相容性、生物降解性等優勢，是上述應用的絕佳壓電材料。自1941年以來，人們已在許多生物材料中發現了壓電現象，例如皮膚、肌腱、軟骨、韌帶、角膜、木材、絲綢和氨基酸。然而，天然生物壓電材料邁向工業應用的道路中還存在諸多科學問題和工程問題。

關鍵問題

天然壓電生物材料固有的複雜的、多級結構使其無法像壓電陶瓷一樣透過電極化展現出宏觀壓電性。例如甘氨酸需要極高的電場(超過GV/m)來電極化處理，這使得其多晶薄膜表現出宏觀壓電性相當具有挑戰性。
許多天然壓電生物材料是低塑性、脆弱的。例如純甘氨酸傾向於形成脆弱的大塊晶體，具有很高的楊氏模量(~30 GPa)，無法滿足實際的生物醫學、電子應用需求。
傳統的自組裝製造策略需要耗費大量時間且對生物分子生長的主動控制有限。例如即使藉助熱場加速自組裝，製造四英寸矽片表面甘氨酸薄膜仍然需要超過30 min的時間。
傳統的製造策略在實現具有高几何精確要求的生物分子群快速、大規模生產和組裝中存在挑戰。製造過程中往往會產生疇取向不一致的異質生物分子群，使製造的壓電生物材料難以達到均勻性，進而降低宏觀壓電性。

新思路

近期，香港科技大學楊徵保教授課題組在Science Advances雜誌上發表的論文，開發了一種名為“熱-電驅動的氣溶膠列印”（Thermal-electric Aerosol Printing，TEA
Printing）的方法，能實現“卷對卷”連續製備壓電生物薄膜，在一天可列印8600mm長的薄膜卷材。列印速度比現存製備工藝高2個數量級，這意味著TEA列印技術可以直接應用於生物醫學、生物電子學等領域。相關研究成果以題為“One-step
high-speed thermal-electric aerosol printing of piezoelectric bio-organic films
for wirelessly powering bioelectronics”發表在Science Advances 上。

技術優勢

作者開發了熱-電驅動的氣溶膠列印（TEA）技術，克服了天然壓電生物材料在自下而上精密控制、跨尺度製造和程式化製造方面的挑戰。作者展現了TEA在多種天然壓電生物材料成核結晶、原位疇排列、聚合物複合等方面的多功能性，同時電流體動力學氣溶膠化和原位電極化可以實現生物分子精密幾何控制，以可擴充套件的方式製造100微米厚度以下的薄膜，製造速率接近工業化需求。

研究內容

TEA工作原理

圖1展現了TEA 列印策略。為了實現基於氣溶膠的列印，我們首先將生物墨水（以甘氨酸/PVP 複合墨水為例）透過電流體動力霧化成微尺度液滴，然後液滴進一步分裂成奈米液滴，並實現動態擴散。隨著霧化液滴中的溶劑蒸發，由於奈米限制效應，促進了β相的壓電甘氨酸多晶成核。在這個過程中，直流電場可以原位操縱飛行中晶體的疇排列，並誘導其與電場平行的極化方向[020]。將“卷對卷”工藝與TEA列印技術相結合，實現了一步、高通量連續壓電生物薄膜3D列印。甘氨酸/PVP壓電薄膜的列印依賴於兩個假設（圖2）：（i）氣溶膠在飛行過程中成核結晶；（ii）原位疇排列。在TEA 列印過程中，只有在成核過程發生在溶劑完全蒸發之前才能實現成核結晶和原位疇排列，即成核時間延遲（τ _d = T _d / T_e）小於臨界過飽和後溶劑蒸發的時間[τ a = ( T_e−t ^* )/T_e ]。

圖1 TEA 列印策略

圖2. TEA 列印過程最佳化

壓電生物薄膜機械、壓電效能、熱穩定性和可降解性

甘氨酸晶體的固有剛性對柔性電子應用提出了挑戰，TEA列印方法制備的甘氨酸/PVP壓電薄膜的楊氏模量大約180-440 MPa。它們的楊氏模量比甘氨酸晶體小近兩個數量級，比商用壓電陶瓷PZT小三個數量級（圖3A，B）。柔軟連續的PVP可以有效消散對甘氨酸晶體的機械衝擊。同時，PVP 對奈米甘氨酸晶體的完美包裹也大大減少了薄膜的缺陷點，有利於其柔韌性。居里溫度是壓鐵電材料一個熱特性點，β-甘氨酸一般為亞穩態，並在 67°C 時極易轉變為
α 型。透過 TEA 打印製備的 β-甘氨酸奈米晶體在高溫下表現出對相變的更高穩定性，β-甘氨酸/PVP薄膜的壓電失效溫度在180°到185°C 之間（圖3C，D）。利用壓電響應力顯微鏡 (PFM) 和準靜態d₃₃計測量甘氨酸/PVP薄膜的壓電係數d₃₃為8至10.4pm/V，優於大多數已報道的天然生物材料。g₃₃為190×10⁻³ Vm N⁻¹，優於大多數壓電晶體、陶瓷和天然生物材料（圖3E，F）。甘氨酸/PVP 薄膜在自然環境中也表現出優異的生物降解性（圖3G，H）。

圖3. 甘氨酸/PVP薄膜的機械和壓電效能、熱穩定性和可降解性

醫學應用

暫時性植入裝置，例如術後臨時心臟起搏器，需要經皮導線或植入電池。此類硬體會帶來全身性感染的風險、限制患者活動並妨礙臨床護理。用於取出或更換這些電池的手術也會導致進一步的組織損傷。因此，人們一直在尋求生物相容性和可生物降解的植入式供電系統來防止這些問題。我們展示了一種基於甘氨酸的壓電超聲充能器作為電子經皮植入物的外部充電系統，其產生的電壓約為 3.6 V，電流約為 10 μA，功率密度約為 35 μWcm⁻¹。其高功率輸出歸功於甘氨酸薄膜卓越的機電效能。“柔軟、靈活”的特性其可以放置在身體的各個目標位置，而“瞬態”特性則無需手術切除。

圖4. 甘氨酸/PVP薄膜應用在植入裝置超聲能量收集中

總結與展望

TEA 列印方法採用快速氣溶膠組裝、極化和沉積，一步高速製造壓電生物有機膜。該策略可推廣用於不同的壓電生物材料系統，大大擴充套件了壓電生物膜庫的新興應用。雖然透過 TEA 列印方法制造的甘氨酸膜表現出良好的機電效能，但將這些膜整合到生物醫學應用中仍存在一些挑戰：1）生物材料的潛在壓電機制仍不清楚，與無機陶瓷和有機聚合物相比，壓電效能仍然較低；2）最大壓電常數模式與施加方向的不一致相當具有挑戰性；3）較高的楊氏模量和較差的彈性恢復性使得所生物膜與特定生物電子器件不相容；4）鑑於用於電刺激的壓電植入物，與組織功能相容的生物材料產生的電的安全範圍仍不清楚。

港科大博士後李學木、港城大張卓敏博士、博士生鄭毅為論文共同第一作者。港科大楊徵保教授為論文通訊作者。港科大博士後彭澤華、晏曉東、洪穎、劉世源、李鵬宇、單堯，港城大博士生楊曉丹、廖珺辰博士，邱美孌教授等合作者為工作做出了重要貢獻。