Advanced Science:推动多功能铁电材料在生物医学领域中的应用

铁电材料(Ferroelectric materials, FEMs)具有压电、热释电、反压电、非线性光学、铁电光伏等多种特性,在生物医学领域引起了越来越多的关注。 FEMs能够通过与力、热、电和光等物理刺激相互作用而产生电、力和光等物理信号,因此其在生物传感、声镊、生物成像、生物治疗、组织工程以及刺激和操控生物过程中展现出独特的优势。然而目前与铁电材料相关的生物医学应用研究并没有得到系统的梳理和总结。

鉴于此,山东大学李建华教授、葛少华教授和刘宏教授对多功能铁电材料在生物医学领域中的应用进行了综述(DOI:10.1002/advs.202003074)。文章介绍了当前可用的FEMs及其前沿的制造技术,并概述了FEMs在生物医学领域中的应用。文章最后总结了FEMs目前面临的挑战,并展望了其在未来生物医学领域中的应用前景。

本文要点:1)FEMs成分和结构都很广泛,涉及无机晶体到有机分子组装体,随着新型制造技术的发展,FEMs的结构形态可以从体块材料到纳米级,维度可以从1D到3D。特别是近些年涌现的FEMs生物分子组装体,具有与人体生理电过程直接相互作用的先天优势。因此,FEMs在成分和结构上可以满足复杂的实际需求。

2)FEMs介导的电刺激与机械刺激可以分别在分子、细胞、组织与器官水平介入生物进程而发挥重要的生物学作用,因而可以应用于活性氧产生、杀菌、癌症治疗、干细胞分化、药物控释和组织修复等场景中。反过来,FEMs也可以感知生物物质并响应某些生理活动,因而可以作为生物传感器实现生物分子的检测、细胞活动的测量以及人体健康状况的监测。此外,FEMs具有的倍频效应使其在生物成像领域中也有重要的应用前景。

3)尽管FEMs在生物医学领域中仍然面临不少的困难与挑战。FEMs相关的材料科学和生物医学之间仍有巨大的鸿沟,其在生物医学领域中发挥作用的具体机制仍需要进一步探索。此外FEMs在生物医学领域中仍然存在许多没有涉及的研究方向。文章最后对该领域未来发展的前景进行了讨论与展望。