生物有机压电技术在生-机接口和生物医学工程等领域展现出巨大的应用前景，因此成为电介质材料物理与器件制造领域的研究热点。但当前研究主要聚焦于生物压电结晶工程体系。其固有的劣势，如生物相容性差、生物可降解性有限，以及非拉伸性等，严重制约了其在生物医学工程领域中的广泛应用。因此，开发兼具生物活性和可拉伸性的生物有机压电技术成为科学家面临的一大难题。针对这一迫切需求，浙江大学机械工程学院、浙江大学杭州国际科创中心未来科学研究院陶凯研究员团队，联合西湖大学郭成辰研究员和以色列特拉维夫大学Ehud Gazit教授组成一支跨学科的国际合作团队，从机理探索、材料构筑与表征、器件设计制造与生物医学应用多层面开展研究，在生物有机压电领域取得重要进展：利用分子自组装策略，通过操控分子定向排列，创新性地开发出短肽自组装纳米纤维基超分子压电体系，系统研究了其可编程的压电性能，有效集成了高柔性、可塑性、生物相容性和可降解的优势，利用其设计制造植入式传感器并面向皮下原位、高效进行动作检测，使“植入-检测-降解"一体化的智慧、便携医疗成为现实，为精准医疗提供了全新的技术范式。
该研究成果以“Bioinspired supramolecular fibrillization enables stretchable and biodegradable piezoelectric bioelectronics”为题发表在国际知名学术期刊Science Advances上；机械工程学院博士研究生吴浩然为论文第一作者，陶凯研究员为论文最后通讯作者，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室为第一单位，浙江大学杭州国际科创中心未来科学研究院为第二单位。
研究背景
生物有机功能分子如氨基酸、短肽、蛋白质类，已被发现可自组装形成具有非中心对称的超结构体系，从而表现出固有的压电特性。然而，大多数生物有机自组装压电晶体具有固有的劣势，包括易碎、可靠性较差、形性调控困难，尤其不可拉伸性等，严重限制了其在生物电子学中的广泛应用。
自组装纳米纤维具有固有的压电特性
相比晶体体系，自组装纳米结构，尤其是非中心对称的一维纳米纤维，受到与晶体相同驱动力的介导，同样可以表现出内在极性。鉴于此，团队探究了三种非中心对称结构的肽自组装一维纳米纤维，证实了其存在固有的压电特性。其中分子精准排列的短肽纳米纤维体系压电应变常数d33可达6.6 pm V-1，显著高于大多数生物有机压电材料如聚乳酸（1-2 pm V-1）、壳聚糖（0.1-1 pm V-1）和胶原蛋白（0.1-1 pm V-1）等，并表现出极好的线性相关（图1）。
图1：分子自组装一维纳米纤维具有固有的压电特性
基于自组装纳米纤维的压电水凝胶
在单一自组装纳米纤维压电特性基础上，将其交联成超分子凝胶体系，就有望整合其压电特性，实现可扩展的功能应用。为此，团队探究了短肽自组装纳米纤维基水凝胶机械性能与压电性能的协同调控机制，开发出d33压电系数高达35.5 pC N-1的短肽自组装水凝胶体系；并且其杨氏模量区间（26.4 kPa-226.2 kPa）可与人体组织适配。在拉伸状态下，压电水凝胶能够产生显著的压电响应。相较于目前广泛商用的压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）和柔性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS），分子自组装纳米纤维基压电水凝胶在植入小鼠后呈现出优良的生物相容性；并且在植入120天后可实现全降解，为后续制造可降解的植入式生物元器件奠定了基础。
图2：分子自组装纳米纤维基水凝胶显示出可拉伸的压电特性
压电水凝胶基可植入传感器
需要指出的是，分子自组装纳米纤维基水凝胶具有极好的可塑性，因此能够进行机械加工，从而可被用于开发可控性能、高精准的生物电子器件。为此，团队设计了“W”形薄膜器件结构，可在保持整体超薄结构的同时将各层对位装配并紧密封装压电水凝胶（图 3A）。利用激光加工在“W”主框架上引入圆柱形突起阵列，以改善有效接触应力并提高检测灵敏度（图 3B）。该器件架构配合精准的压电自组装体系，在拉伸负载下展现出极佳的线性度。循环实验表明器件能够长时间采集信号，并且可串并联叠加输出，可被用来精准采集动作信号。
图3：基于自组装压电水凝胶的传感器结构设计、制造与可穿戴应用
体内应用实验
团队利用丝素蛋白和甘油作为封装材料，实现了分子自组装压电水凝胶在蛋白酶溶液中的完全降解，从而有效协同了高压电响应、牢靠结构与可生物降解，有望植入体内实现原位、高效和实时检测应用。为此，通过大鼠皮下植入实验，团队验证了器件在体内环境下采集肢体动作信号。而后，将器件绑缚在大鼠腿部肌肉以及后腿肌腱处，通过肌肉运动牵动传感器产生拉伸变形，可以敏锐地采集拉伸向的压电信号，并随着负载力大小和频率变化产生明显的信号响应（视频1），实现对体内刺激反应的实时和高灵敏度检测（图4）。该工作将有利于各种生物医学工程和生-机接口应用，如断裂肌腱的康复检测和骨折恢复情况检测等，以及开发植入式能量收集器和动物定位传感器等。
图4：利用自组装纳米纤维基压电水凝胶制备的植入式传感器对肌肉运动实现了体内原位、实时检测
本工作通过多学科交叉和跨国际的团队合作，利用分子自组装策略，深入探索生物有机自组装压电在生物医学工程应用的可能性。主要创新点包括：
1.本研究工作通过构建分子自组装极性纳米纤维并交联成超分子压电水凝胶，实现生物相容性和可控压电性能的精准协同调控，压电系数高达35.5 pC N-1。
2.针对传统压电材料与器件在拉伸方向无法有效电子输运的难题，本研究工作开发出基于短肽纳米纤维的压电水凝胶，实现了在拉伸方向的柔性与压电的兼顾，从而实现材料与器件在多维度方向上的压电响应。
3.本研究工作利用短肽自组装压电水凝胶设计制造可降解的植入式压电传感器，实现对肢体运动的原位、实时和高灵敏度检测。
该工作证明了分子制造技术在实现制造精度、多元结构与复杂应用兼顾上的优势。面向精准生物医学工程应用需求，聚焦分子自组装制造中的关键科学问题，开展高精度自组装形性协同制造与调控及跨尺度序构技术研究。通过建立非共价键相互作用网络的精细调控方法，阐明关键功能基团在自组装行为中的作用机制，揭示形性协同调控规律，构筑具备分子尺度精度与功能定制化的生物有机自组装功能材料与器件体系，提升自组装制造在精准医学器件中的工程化水平。
该工作得到了国家自然科学基金委员会、浙江省“尖兵领雁+X“科技计划、浙江大学“一带一路”与国际组织合作项目和仪器研制培育专项资助。
文章信息
Haoran Wu, Hao Lyu, Hongbo Jiang, Yancheng Wang, Rusen Yang, Syed A. M. Tofail, Hai Xu, Chengchen Guo, Deqing Mei, Ehud Gazit, Kai Tao. Bioinspired supramolecular fibrillization enables stretchable and biodegradable piezoelectric bioelectronics. Sci. Adv., 2025, 11, 25, eadu6759.
