南理工馮章啟團隊 Small：界面極化鎖定的柔性β相Glycine /Nb2CTx壓電納米纖維
2024-03-12 來源：高分子科技
生物分子壓電材料在可穿戴和植入式生物醫學設備領域逐漸顯示出巨大的應用潛力。甘氨酸，最簡單的氨基酸分子，具有結構依賴的壓電性質，其β相偶極子可以達到相當高的壓電系數（d16=195pC N?1）。然而，純凈的甘氨酸分子容易形成剛性和易碎的大塊晶體，其楊氏模量高達≈30 GPa，極大地阻礙了其在柔軟的生物醫學組織中的應用，如肌肉、皮膚和內臟。與此同時，為了獲得良好的宏觀壓電性以實現其可靠的機電轉換能力，迫切需要大規模合成規則排列的高壓電相β和γ相甘氨酸。因此，制備具有宏觀優異柔韌性和規則排列的穩定壓電相的甘氨酸晶體，實現高效的機電耦合和能量交換是目前面臨的巨大難題，這對擴大甘氨酸在生物醫學中的應用至關重要。
圖1 壓電Gly-Nb2C-NFs的合成及其生長機理圖
圖2 甘氨酸和Nb2CTx納米片相互作用的理論計算
根據密度函數理論（DFT）探索的甘氨酸與Nb2CTx納米片之間的相互作用，即甘氨酸晶體可以在Nb2CTx納米片的誘導下結晶并擇優取向。在此基礎上，本研究提出了甘氨酸結晶過程中的界面極化鎖定過程（圖3）。當甘氨酸在水溶液中與Nb2CTx納米片形成均一混合溶液時，在Nb和O原子之間的靜電相互作用的驅動下，甘氨酸分子可以有規則地排列在Nb2CTx納米片的表面上，以其最佳取向與Nb2CTx的2D晶面結合，此時甘氨酸的凈極化為 P≈P1；在共結晶過程后，甘氨酸結晶成β相甘氨酸晶體，并且它們仍然以其最佳取向與Nb2CTx納米片相互作用，形成甘氨酸與Nb2CTx納米片之間的界面極化鎖定，使甘氨酸晶體仍然保持一定的P≈P2的凈極化。為了進一步探索β相甘氨酸的穩定性，利用原位XRD研究了Gly-Nb2C-NFs的相變性能，結果表明，在整個加熱過程中直到甘氨酸熔化溫度~210°C，β（001）、β（-112）和β（012）晶面均保持著較強的峰值強度，即Gly-Nb2C-NFs上的β相甘氨酸晶體具有優異的熱穩定性。
圖3 甘氨酸晶體上Nb2CTx誘導的界面極化鎖定機制和熱穩定性的示意圖
圖4 Gly-Nb2C-NFs的力學和壓電性能
圖5 Gly-Nb2C-NFs在體內的生物相容性和傳感性能
致謝東南大學數字醫療工程國家重點實驗室、東部戰區總醫院等單位協助完成該系統的臨床醫學評價。南京理工大學馮章啟、東南大學數字醫療工程國家重點實驗室王婷、金陵醫院骨科袁濤為本論文共同通訊作者。論文第一作者為南京理工大學博士研究生鄭偉穎。
該工作得到了國家自然科學基金項目、中國博士后科學基金項目、江蘇省優秀博士后培養計劃項目和中央高校基本科研業務費專項資金等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202308715
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（責任編輯：xu）
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