同濟施劍林院士/逯向雨團隊《Adv. Mater.》綜述：壓電催化醫學- 壓電醫學的新興前沿

發布時間：2023-03-22瀏覽次數：915返回列表

廣泛應用于機械、電子、能源、航空航天、環保等領域的壓電材料，近年來在醫療領域顯示出了巨大的發展潛力。這些壓電材料的生物醫學應用，稱為“壓電醫學”。壓電材料具有獨特的壓電性能，可通過所受應力誘導電荷載流子的分離，高效地催化化學反應，還可產生電信號影響生命活動，甚至可以利用周圍環境中相對微弱和分散的能量資源，如人體運動和心臟跳動，給自供能的生物醫學應用帶來可能，并可以嵌入智能化設備當中，因此被應用于疾病治療、有毒物質降解和生物傳感等醫療領域，呈現出蓬勃的前景。目前，盡管相關壓電材料的研究發展迅速，但其在醫療領域尚無系統總結。

近日，同濟大學的施劍林院士團隊在《Advanced Materials》(IF=32.086)上發表題為“Piezocatalytic medicine: an emerging frontier using piezoelectric materials for biomedical applications”的綜述論文，為促進該領域的發展，提出“壓電催化醫學”的概念，系統地總結壓電催化劑在生物醫學領域中的應用。壓電催化醫學(PCM)：壓力觸發壓電材料釋放電子/空穴催化底物的氧化還原反應，或產生電刺激干預生物過程生成效應分子，用于疾病治療、降解有機物或傳感等醫療領域。壓電催化醫學由醫學、材料學、化學和物理學等多個學科交叉形成，旨在通過壓電材料的催化作用引導化學反應的發生，實現可控、無創、高效、甚至智能化的醫學應用，為守護人類健康提供新技術。為了進一步開拓新型醫療技術手段，尤其是疾病的治療模式，該綜述總結了壓電催化醫學的新研究進展。在本文中，作者首先概述了壓電催化的原理及相關壓電材料的設計與制備，隨后深入總結了壓電材料在醫學領域的應用，后對壓電催化醫學的主要挑戰和未來前景進行了總結和展望。

內容要點：壓電效應是指在缺少對稱中心的晶態物質中，由機械變形產生電極化現象和反之由電場極化引發機械變形的現象。壓電材料可以通過壓電效應將壓力轉化為電場，反之亦然。在此過程中，壓電材料的正負電荷中心被分離，產生壓電勢。壓電效應引起的高效界面電荷轉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，這被稱為“壓電催化”。作者根據經典的研究對壓電催化的原理進行了簡明的描述，包括能帶理論和篩選電荷效應。簡略概述了壓電催化劑的設計、制備和表征，并指出了高性能壓電催化劑的設計要點。能帶理論原理：壓電催化劑的能帶結構(價帶和導帶)決定其催化特定化學反應的能力，壓電勢可以調節能帶結構，并控制內部載流子向催化劑表面的遷移。具體來說，壓電材料在受到外界機械刺激下發生極化，會因電荷中心的位移導致材料形變，極化電位的正負電荷隨之分布在壓電材料的兩側，而此間產生的電荷參與到化學反應中。如圖2所示，由壓電效應產生的壓電電勢會改變壓電材料的價帶(VB)和導帶(CB)的能量變化，使在壓電材料界面上的電荷交換容易發生，從而高效催化氧化還原反應。

篩選電荷效應原理：壓電勢作為驅動力催化反應的發生。如圖3所示，參與氧化還原反應的電荷是來自外部系統的表面吸附的篩選電荷，而不是來自材料的內部電荷。在此過程中，壓電電位的大小應該完全達到或超過氧化還原電位水平才能觸發反應。具體來說，在壓電極化場作用下，水分子或氫氧根離子會被吸引到材料表面，以補償極化束縛電荷，隨后會發生離解過程，在材料表面產生電子，繼而參與到氧化還原反應中。

作者系統總結了壓電催化醫學在腫瘤治療、抗菌治療、有機物降解、組織修復與再生、生物傳感等方面的新研究進展，重點介紹了相應的材料設計、機理、應用的優勢和不足。在腫瘤治療中，壓電催化治療的機理可以簡單概括為:（1）催化產生活性物質進行氧化還原反應，殺死癌細胞;（2）產生電信號影響生物活動，從而促進癌細胞凋亡;（3）作為納米發電機，增強催化治療效果。在抗菌治療中，其催化產生的活性物質會參與細菌代謝的電子轉移鏈，從而破壞細菌細胞壁，使細菌蛋白質變性；同時，壓電催化劑的正電荷表面也會干擾細菌的活性，這些抗菌機制均規避了細菌耐藥性，使廣譜抗菌成為可能。在有機毒性物質的降解中，例如降解抗生素和致癌毒物的過程中，其催化產生的活性物質對有機物表現出很高的降解活性。由于電荷可以影響組織的發育和再生，壓電材料產生的電刺激可影響其與細胞的相互作用和生物過程，故其被廣泛應用于組織修復和再生工程。而在生物傳感中，壓電傳感器一方面可以利用其機電耦合特性，從環境或人體活動(如行走、心跳和呼吸)中收集低強度動能，進行信號放大和轉換;另一方面，它們可以通過高效的催化反應實現超高反應速率，因此，可進行呼吸、心跳、生物分子和病毒等的檢測和傳感。此外，近報道的部分壓電醫用材料還可以與生命醫學領域的其他技術結合使用，發揮好的效力，例如結合電磁催化療法引發目標腫瘤細胞的凋亡，結合光動力或聲動力療法抗細菌感染并促進傷口愈合等。本文對以上研究均有系統介紹。作者深入分析了壓電催化醫學在材料設計、機理研究、安全評估、生產標準和聯合療法等方面涉及的關鍵科學問題，并提出了相應的潛在解決策略。這一成果得到了編輯和審稿專家的一致認可，同濟大學醫學院碩士研究生陳思為論文作者，通訊作者為同濟大學醫學院逯向雨助理教授和施劍林院士。

同濟大學已經在我單位采購了ZJ-3型壓電測試儀和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備，相信對于科研發展和研究有著重要意義。

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