壓電催化醫(yī)學研究進展綜述

壓電材料可以通過壓電效應將機械力轉(zhuǎn)化為電場，反之亦然。壓電效應誘導的有效界面電荷轉(zhuǎn)移有助于壓電材料具有良好的氧化還原催化活性。在機械能的觸發(fā)下，壓電催化材料可以釋放電子/空穴并催化底物的氧化還原反應，這被稱為壓電催化。在醫(yī)學中，這些材料可以作為智能生物材料，通過影響它們與細胞的相互作用和生物過程，在機械刺激下實現(xiàn)相應的治療效果。



壓電材料工作原理 作為一顆冉冉升起的新星，具有超高反應活性的活性氧在抗菌、癌癥治療等催化醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的光催化介導活性氧策略滲透深度有限，無法精確調(diào)節(jié)，相比之下，壓電催化劑能夠在受控刺激下釋放電子，催化底物（例如水、氧）的氧化還原反應，生成活性氧，以殺死癌癥，降解有毒有機物質(zhì)或在沒有組織穿透限制的情況下進行滅菌。

在機械能的觸發(fā)下，壓電催化材料可以釋放電子/空穴，催化底物的氧化還原反應，或干預生物過程，促進效應分子的產(chǎn)生，用于醫(yī)療目的，如去污、殺菌和治療。壓電催化的這種醫(yī)學應用被稱為壓電催化醫(yī)學（PCM）。近期，同濟大學醫(yī)學院施劍林院士和逯向雨助理教授等人發(fā)表綜述，概述了壓電催化醫(yī)學的最新研究進展。

首先，文章介紹了壓電催化的原理和壓電材料的制備方法。然后，全面總結(jié)了壓電催化材料在腫瘤治療、防腐、有機物降解、組織修復和再生以及生物傳感等方面的醫(yī)學應用。最后，作者還討論并提出了壓電催化醫(yī)學的主要挑戰(zhàn)和未來前景，以期推動這一新興科學學科的發(fā)展。相關(guān)綜述文章以“Piezocatalytic Medicine: An Emerging Frontier using Piezoelectric Materials for Biomedical Applications”為題發(fā)表在Advanced Materials。

壓電催化醫(yī)學原理

壓電效應是電荷在某些具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的固體材料中對機械應力的反應。壓電材料可以是有機材料（主要是聚合物），也可以是無機材料。在無機壓電晶體中，由于介電材料的晶體結(jié)構(gòu)中離子的非反對稱配置，內(nèi)部極化隨著施加的應力線性變化，導致在材料邊界上建立電場，即壓電效應。

在有機壓電聚合物中，壓電效應取決于聚合物的分子形成及其方向。2010年，研究首次報道了壓電材料ZnO和BaTiO?能夠在超聲波照射下分解水分子，并由此提出了壓電化學效應，后來也被稱為壓電催化效應。此后，利用壓電電荷催化化學反應的壓電催化逐漸被引入抗菌、有機降解、癌癥治療、生物分子檢測、組織修復和再生等醫(yī)療目的，而壓電催化醫(yī)學在這一領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展并取得了豐碩進展（圖1）。

壓電催化將壓電效應和催化作用耦合起來。通過利用壓電材料的可調(diào)諧電子態(tài)，可以在周圍介質(zhì)的化學性質(zhì)和應變感應的作用下引發(fā)或加速化學反應。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展出兩類壓電催化機制，即能帶理論和屏蔽電荷效應，這兩類機制都從各自的基本概念和實驗觀察為壓電催化提供了合理的解釋，但它們彼此不同，可以應用于不同的場景。

在能帶理論中，壓電電勢調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)并控制內(nèi)部載流子向催化劑表面的遷移，主要是能帶排列（價帶和導帶狀態(tài)）決定了壓電催化劑在催化特定化學反應中的活性。在屏蔽電荷效應中，壓電電勢作為催化反應的驅(qū)動力，其中參與氧化還原反應的電荷是來自外部系統(tǒng)的表面吸附的屏蔽電荷，而不是材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部電荷。因此，為了啟動反應，壓電電勢的大小應該完全達到或超過氧化還原電勢。

壓電催化醫(yī)學的發(fā)展

壓電催化材料

在壓電催化劑的制備中，壓電材料的選擇是獲得良好壓電催化性能的前提。壓電材料的類型包括無機材料、有機材料和復合材料。一般來說，壓電陶瓷和鐵電材料比其他材料具有更高的壓電系數(shù)，而聚合物比無機材料具有更低的介電常數(shù)，并且復合材料可以在特定應用中呈現(xiàn)陶瓷和聚合物的組合優(yōu)勢。根據(jù)所需的材料性質(zhì)，壓電材料通常通過經(jīng)典合成方法制備，如水熱法、模板合成法、機械力化學合成法和化學沉積法。

為了賦予材料更好的性質(zhì)，壓電材料的催化活性也可以通過球磨活化、熔體淬火、局部引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方法來增強。而在材料表征中，X射線衍射（XRD）通常用于晶體結(jié)構(gòu)分析；掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）通常用于獲得微/納米尺寸區(qū)域的組成和形態(tài)信息以及尺寸分布數(shù)據(jù)；壓電響應力顯微鏡（PFM）、隧道原子力顯微鏡（TUNA）和密度泛函理論（DFT）計算通常用于表征材料的壓電性質(zhì)。

應用

基于壓電催化劑的壓電催化醫(yī)學因其優(yōu)異的催化性能、高組織穿透性能和良好的生物相容性而引起了社會的極大關(guān)注；它能夠以非常低的成本根除腫瘤，并且可以有效地抑制腫瘤復發(fā)。機械刺激下的壓電催化機制可概括為：1）催化活性氧的產(chǎn)生，以氧化還原反應殺死癌癥細胞；2）產(chǎn)生電信號影響生物活性，從而促進癌癥細胞的凋亡；3）用作納米發(fā)生器以增強催化治療。同理，壓電效應產(chǎn)生的ROS也可以參與細菌代謝的電子轉(zhuǎn)移鏈，從而破壞細菌細胞壁并使細菌蛋白質(zhì)變性。因此，壓電催化劑也可在殺菌和消毒中發(fā)揮重要作用。除了疾病治療，醫(yī)療領(lǐng)域還有護理和預防需要關(guān)注。隨著大量化學合成藥物的排放，醫(yī)療廢水嚴重危害公眾健康安全，已成為亟待解決的重要問題。

壓電催化劑通過在機械力（如超聲振動）下促進氧化還原反應的ROS產(chǎn)生，對有機物表現(xiàn)出超高的降解活性。因此，壓電催化劑可用于醫(yī)療領(lǐng)域，用于個人醫(yī)療保健中的生物有機物降解和含有大量有毒物質(zhì)（如藥物和有毒染料）的醫(yī)療廢水處理。此外，由于組織的發(fā)育和再生會受到電場的影響，壓電材料在受到壓力時可以產(chǎn)生電場，這使它們能夠很好地匹配生物電活動。而電刺激已被證明可以促進細胞生長、分化和組織生長，因此，壓電催化有望有效促進細胞修復，并被廣泛應用于組織修復工程中。最后，在傳感器方面，基于壓電材料的生物傳感器已經(jīng)出現(xiàn)，可用于測量細胞和組織的機械變形以進行細胞和組織表征，在自供電醫(yī)療電子設備中用作能量采集器，輔助檢測特定生物分子，以及構(gòu)建醫(yī)療保健監(jiān)測系統(tǒng)（圖2）。



壓電催化醫(yī)學的應用

總之，壓電催化劑將在未來的各種醫(yī)療領(lǐng)域，如重癥治療、傷口和醫(yī)療設備消毒、神經(jīng)和骨骼修復以及生物傳感等，繼續(xù)發(fā)揮重要作用。然而，在壓電催化醫(yī)學領(lǐng)域，巨大的潛力和巨大的挑戰(zhàn)仍有待探索和解決。在未來，研究人員還應該關(guān)注壓電材料體系的設計、機制、安全性、規(guī)模化生產(chǎn)以及與其他療法協(xié)同作用等方面的問題。

審核編輯：劉清