可植入的压电材料能够应用于生物传感、药物递送、组织再生、抗菌及肿瘤诊疗等领域。应用于人体的压电材料需要具有柔性、生物相容性、生物降解。但是对于传统的压电材料，这些需求具有非常大的挑战和难度。有鉴于此，东南大学熊仁根院士、张含悦副研究员、马里兰大学任申强教授、南京大学顾宁院士等报道HOCH2(CF2)3CH2OH分子晶体（HFPD,2,2,3,3,4,4-hexafluoropentane-1,5-diol）是一种性能优异的压电材料，在非极性条件的压电常数d33达到~138 pC N-1，压电电压常数g33达到~2450×10-3 V m N-1。这种分子晶体材料表现了具有前景的压电性质，可能未来应用于植入式器件。
图2. HFPD的铁电性质
在室温通过溶剂扩散法进行重结晶，得到尺寸为1×1×5 mm的HFPD单晶，单晶具有环境稳定性，热力学稳定的温度高达380 K。单晶XRD表征结果说明HFPD是一种极性结构晶体。HFPD分子之间相互连接，通过O-H…O构成二维氢键网络。表征发现在259 K晶体的晶格参数发生较小的改变，这个现象说明其发生同构相变（isomorphic phase transitions）。差示扫描量热DSC表征和变温介电性能测试的结果显示，282 K发生异常的热效应。通过变温XRD和Raman光谱表征说明发生热力学相变。此外，作者发现在高压下同样能够产生结构相变，并通过原位变压Raman表征验证高压诱导相变。当压力达到0.36 GPa，Raman光谱的2970 cm-1（C-H伸缩）从单一峰分裂为三个连续的峰（2958, 2972, 2983 cm–1）。而且在压力释放过程中，压力达到0.63 GPa，Raman的三个连续峰变为原始状态的单峰。这说明压力诱导相变的过程是可逆的。HFPD晶体的极化方向与分子的长轴垂直，这使得HFPD分子具有可转变的极化能力。作者通过极化-电场回滞测试验证HFPD的铁电性质。HFPD晶体的回滞曲线呈现P-E形，沿着a轴、b轴、c轴方向都具有适中的饱和极化，数值分别为0.73，4.88，6.34 μC/cm2，而且说明HFPD晶体的各向异性。 与常见的有机介电材料PVDF相比，测试结果显示HFPD的击穿电场（726.74 kV/mm）比PVDF（346.57 kV/mm）更高。使用PEM（压电响应力显微镜）方法表征HFPD晶体薄膜的压电性能。分别在HFPD晶体薄膜上随机选取6个不同位点和改变电压的条件下进行测试，并将HFPD的测试结果与PVDF进行对比。测试结果显示HFPD和PVDF的电化学响应都表现随着压电性表现线性关系。通过测试结果显示HFPD和PVDF的压电常数，压电常数分别为119.3 pm/V和18.8 pm/V，HFPD晶体薄膜的压电常数比PVDF更高。
薄膜的柔性对于生物兼容性非常重要。HFPD晶体(100)、(010)、(001)晶面的弹性模量分别为6.14 GPa、8.85 GPa、4.30 GPa，硬度分别为437.4、365.1、507.3 MPa，这个数值与PVDF处于同一个数量级（弹性模量3.28 GPa、硬度240.3 MPa），说明HFPD晶体有望作为柔性器件和生物相容性器件的材料 。作者通过40 ℃低温溶剂蒸发方法制备HFPD-PVA薄膜，得到的HFPD-PVA薄膜表现优异的柔性、生物相容性、压电性。考察了不同的HFPD/PVA比例对于薄膜性能的影响，发现当HFPD/PVA的比例在1.5-2.5之间，具有最合适的拉伸强度和杨氏模量。
作者培养了多种不同类型的细胞，包括大鼠骨髓来源的间充质干细胞（rBMSCs）、小鼠颅骨前成骨细胞系的MC3T3-E1细胞和大鼠神经干细胞（rNSCs），并考察HFPD对其生物兼容性。测试结果显示HFPD具有优异的生物相容性，而且对rBMSCs基本没有细胞毒性，考察发现不同浓度的HFPD对MC3T3-E1同样表现类似的趋势。此外，测试结果显示HFPD对rNSCs的分化能力没有影响，说明其没有神经毒性。对SD大鼠尾静脉注射HPFD的方式考察HFPD的生物降解性。对血液和主要器官的影响情况进行表征，结果显示血液中的HFPD能够去除，而且主要的器官都没有发生明显的结构或细胞变化。通过HFPD和聚乙烯醇构筑的HFPD-PVA薄膜表现优异的柔性、高度生物相容性，对生物细胞没有毒性，而且在生理环境能够生物降解并且具有生物安全性。
图5. HFPD生物相容性
Han-Yue Zhan*, Yuan-Yuan Tang, Zhu-Xiao Gu, Peng Wang, Xiao-Gang Chen, Hui-Peng Lv, Peng-Fei Li,, Qing Jiang, , Ning Gu*, Shenqiang Ren*, Ren-Gen Xiong*, Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response, Science 2024, 383, 1492-1498DOI: 10.1126/science.adj1946https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946
就在半年前，作者发表了另一篇铁电聚合物材料的观点文章。2023年8月，东南大学生物科学与医学工程学院张含悦副研究员与熊仁根教授合作, 在Science上发表了题为“Ferroelectric polymers take a step toward bioelectronics ”的 Perspective 论文。在熊仁根教授开创的铁电化学的指导下，他们结合近年来铁电化学领域的新进展，对聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)）基塑性铁电聚合物中实现的本征弹性化进行了评述和展望（Science 2023, 381, 540-544）。
