随着可穿戴设备和植入医疗技术的发展，压电材料越来越多地用于体内，例如监测生理信号、为植入设备供电以及促进组织再生。临床要求这类压电生物材料兼具高压电性、柔韧性、生物相容性、可降解性等特性，与传统无机压电材料（如压电陶瓷）以及一些压电聚合物（如聚偏二氟乙烯—PVDF）相比，压电生物材料的生物相容性更好并且可在体内实现完全降解。左旋聚乳酸（PLLA）因其优异的柔韧性、易于加工和可生物降解性而被广泛用作体内植入的材料，但其压电常数较低，这阻碍了其作为压电生物材料使用。而β相甘氨酸因其超高剪切压电性（178 pm/V）成为体内压电材料的理想候选，但其热力学不稳定、制备工艺复杂以及水溶性等问题，又不利于它的实际应用。
2、研究内容
近日，西北工业大学樊慧庆教授团队通过独特的同轴静电纺丝制备了包裹高压电活性β-甘氨酸的PLLA复合纤维，在同轴静电纺丝过程中，通过PLLA的三维限域效应控制了甘氨酸结晶为β相，并在高电场下以（100）方向排列，PLLA/β-甘氨酸复合膜表现出较高的压电性能，β-甘氨酸在PLLA的包覆下可以结构稳定，此外，该薄膜具有足够的柔韧性和长期可降解性。体内和体外生物实验表明，这种新型复合膜可以有效地促进体内细胞增殖和骨组织修复。相关研究成果以“Novel stable and biocompatible poly L-lactide/β-glycine films for in vivo bone repairing by using nanogenerator with high piezoelectricity”为题目，发表在期刊《Nano Energy》上。
图 1：PLLA-甘氨酸压电复合薄膜（a-f）形貌与结构、（g-i）制备及形核机制
通过同轴静电纺丝制备了PLLA/β-甘氨酸复合薄膜。以β-甘氨酸作为内芯，PLLA作为外壳，薄膜制备的示意图如图1g所示。在纤维形成过程中，芯层的甘氨酸溶液被电离后又受到外层PLLA溶液的限域作用，其尺寸被限定在微纳米尺度，甘氨酸溶液优先析出亚稳态的β晶型。X射线衍射图谱、傅里叶变换红外光谱以及拉曼光谱均证明了最优PL4G1复合膜中β-甘氨酸的存在。如图1b和1d所示，扫描电镜和透射电镜均显示通过同轴静电纺丝所制备的PL4G1薄膜纤维呈豆荚状结构，豆荚状凸起的直径约为1μm，证实β-甘氨酸的大小在微纳米范围内。为进一步验证PLLA溶液对甘氨酸液滴的纳米约束作用，采用PLLA与甘氨酸溶液混合物的单轴静电纺丝制备了PLG（甘氨酸与PLLA的比例与PL4G1相同）。值得注意的是，当甘氨酸溶液被电场电离但不受PLLA限制时，会形成α-甘氨酸，在图1c中可观察到，由于缺乏外PLLA层的约束，接收滚筒会接收到大尺寸甘氨酸液滴，在PLG复合膜中优先形成α晶体，并与PLLA纤维分离。
图 2：PLLA-甘氨酸复合薄膜的压电电学性能和机械性能
图 3：PLLA与PL4G1甘氨酸复合薄膜PENGs的压电特性
PL4G1复合膜产生的最大开路电压Voc约为14 V，最大短路电流Isc近0.95 μA，瞬时功率密度值为0.92 mW/cm2。与纯PLLA薄膜相比，β-甘氨酸的存在大大提高了复合薄膜的压电性能。高压电性能使薄膜能够收集能量，因此可以用作为电容器充电和点亮LED的电源。为电容充电的过程中，PL4G1的充电速率和最高电压约为PLLA的2-3倍。PL4G1样品经过1000次压力循环测试后，能一直保持稳定的短路电流，证明复合薄膜在应用于PENGs中的耐久性和可靠性。在超声的驱动下，基于PL4G1复合薄膜所制备的纳米发电机输出的电压提高1 V，输出电流提高了0.65 mA，与纯PLLA薄膜相比有显著提升。力学测试表示，虽然β-甘氨酸存在会使复合薄膜的弹性模量升高，但整体上模量都保持在较小的值，小于0.45GPa，因此并未影响薄膜的柔韧性。上述结果证明由复合薄膜制备的纳米发电机具备收集并转化生物运动能量和超声驱动的能力，说明其具有在体内植入作为微小元器件电源或组织修复材料的巨大潜能。
图 4： PL4G1甘氨酸复合薄膜的稳定性与可降解性
图 5： 体外和体内压电薄膜的生物细胞毒性和抗菌性能评价
图 6： 生物实验的骨骼修复组织学评估
长期稳定性测试表明，PL4G1薄膜在30天后仍保持压电输出，说明这种新型薄膜在体内应用中压电性能具有出色的稳定性。同时，复合薄膜材料的生物性质使其具有完全降解性，长时间存在于PBS缓冲液中能够自然降解。体外和体内生物实验表明，复合膜的纤维结构和显著压电性能诱导了更好的生物相容性，在促进体内骨骼修复方面也表现出显著效果。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111275
通讯作者：
樊慧庆，毕业于西安交通大学，获理学学士、工学硕士和博士学位，现为西北工业大学教授、博士生导师，专长功能材料与器件。主持国家重点研发计划等重要科研项目30余项，发表SCI学术论文700余篇，被引用26300余次，授权国家发明专利48项，出版《电子信息材料》、《功能介质理论基础》、《固体化学》和《材料物理》，培养毕业博士、硕士研究生120余位、出站博士后9人，均已任重点高校院所的教授、副教授或企业经理、技术骨干等（其中教授10余人、3位入选国家级青年人才）。
先后入选教育部“优秀青年教师”、“新世纪优秀人才”和陕西省“优秀留学回国人员”、“中青年创新领军人才”，获省部级科技荣誉奖励16项，现任国际学术期刊Materials Science and Engineering B、Nanomaterials、Scientific Reports、International Journal of Applied Ceramic Technology等的编辑，国内学术期刊《电子元件与材料》的编委，中国物理学会终身会员、中国材料研究学会高级会员、中国光学学会光电技术专委会委员、中国电子学会高级会员及气湿敏专委会委员、中国仪器功能材料学会电子元器件关键材料与技术专委会副主任等。
