壓電催化醫(yī)學(xué)研究進(jìn)展綜述

壓電材料可以通過壓電效應(yīng)將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電場，反之亦然。壓電效應(yīng)誘導(dǎo)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(jī)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(yīng)，這被稱為壓電催化。在醫(yī)學(xué)中，這些材料可以作為智能生物材料，通過影響它們與細(xì)胞的相互作用和生物過程，在機(jī)械刺激下實現(xiàn)相應(yīng)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(yīng)活性的活性氧在抗菌、癌癥治療等催化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光催化介導(dǎo)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(yīng)，生成活性氧，以殺死癌癥，降解有毒有機(jī)物質(zhì)或在沒有組織穿透限制的情況下進(jìn)行滅菌。

在機(jī)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(yīng)，或干預(yù)生物過程，促進(jìn)效應(yīng)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(xué)應(yīng)用被稱為壓電催化醫(yī)學(xué)（PCM）。近期，同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)的最新研究進(jìn)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(jī)物降解、組織修復(fù)和再生以及生物傳感等方面的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。最后，作者還討論并提出了壓電催化醫(yī)學(xué)的主要挑戰(zhàn)和未來前景，以期推動這一新興科學(xué)學(xué)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(xué)原理

壓電效應(yīng)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(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)。壓電材料可以是有機(jī)材料（主要是聚合物），也可以是無機(jī)材料。在無機(jī)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(yīng)力線性變化，導(dǎo)致在材料邊界上建立電場，即壓電效應(yīng)。

在有機(jī)壓電聚合物中，壓電效應(yīng)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(xué)效應(yīng)，后來也被稱為壓電催化效應(yīng)。此后，利用壓電電荷催化化學(xué)反應(yīng)的壓電催化逐漸被引入抗菌、有機(jī)降解、癌癥治療、生物分子檢測、組織修復(fù)和再生等醫(yī)療目的，而壓電催化醫(yī)學(xué)在這一領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展并取得了豐碩進(jìn)展（圖1）。

壓電催化將壓電效應(yīng)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(xué)性質(zhì)和應(yīng)變感應(yīng)的作用下引發(fā)或加速化學(xué)反應(yīng)。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展出兩類壓電催化機(jī)制，即能帶理論和屏蔽電荷效應(yīng)，這兩類機(jī)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(yīng)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(dǎo)帶狀態(tài)）決定了壓電催化劑在催化特定化學(xué)反應(yīng)中的活性。在屏蔽電荷效應(yīng)中，壓電電勢作為催化反應(yīng)的驅(qū)動力，其中參與氧化還原反應(yīng)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(yīng)，壓電電勢的大小應(yīng)該完全達(dá)到或超過氧化還原電勢。

壓電催化醫(yī)學(xué)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(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)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(jī)材料具有更低的介電常數(shù)，并且復(fù)合材料可以在特定應(yīng)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(jī)械力化學(xué)合成法和化學(xué)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(qiáng)。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(yīng)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(yīng)用

基于壓電催化劑的壓電催化醫(yī)學(xué)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(fù)發(fā)。機(jī)械刺激下的壓電催化機(jī)制可概括為：1）催化活性氧的產(chǎn)生，以氧化還原反應(yīng)殺死癌癥細(xì)胞；2）產(chǎn)生電信號影響生物活性，從而促進(jìn)癌癥細(xì)胞的凋亡；3）用作納米發(fā)生器以增強(qiáng)催化治療。同理，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的ROS也可以參與細(xì)菌代謝的電子轉(zhuǎn)移鏈，從而破壞細(xì)菌細(xì)胞壁并使細(xì)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(hù)理和預(yù)防需要關(guān)注。隨著大量化學(xué)合成藥物的排放，醫(yī)療廢水嚴(yán)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(jī)械力（如超聲振動）下促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的ROS產(chǎn)生，對有機(jī)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(jī)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(jìn)細(xì)胞生長、分化和組織生長，因此，壓電催化有望有效促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)，并被廣泛應(yīng)用于組織修復(fù)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(xì)胞和組織的機(jī)械變形以進(jìn)行細(xì)胞和組織表征，在自供電醫(yī)療電子設(shè)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(xué)的應(yīng)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(shè)備消毒、神經(jīng)和骨骼修復(fù)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(xué)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(yīng)該關(guān)注壓電材料體系的設(shè)計、機(jī)制、安全性、規(guī)?；a(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