同济施剑林院士/逯向雨团队《Adv. Mater.》综述：压电催化医学- 压电医学的新兴前沿

广泛应用于机械、电子、能源、航空航天、环保等领域的压电材料，近年来在医疗领域显示出了巨大的发展潜力。这些压电材料的生物医学应用，称为“压电医学”。压电材料具有独特的压电性能，可通过所受应力诱导电荷载流子的分离，高效地催化化学反应，还可产生电信号影响生命活动，甚至可以利用周围环境中相对微弱和分散的能量资源，如人体运动和心脏跳动，给自供能的生物医学应用带来可能，并可以嵌入智能化设备当中，因此被应用于疾病治疗、有毒物质降解和生物传感等医疗领域，呈现出蓬勃的前景。目前，尽管相关压电材料的研究发展迅速，但其在医疗领域尚无系统总结。

近日，同济大学的施剑林院士团队在《Advanced Materials》(IF=32.086)上发表题为“Piezocatalytic medicine: an emerging frontier using piezoelectric materials for biomedical applications”的综述论文，为促进该领域的发展，提出“压电催化医学”的概念，系统地总结压电催化剂在生物医学领域中的应用。压电催化医学(PCM)：压力触发压电材料释放电子/空穴催化底物的氧化还原反应，或产生电刺激干预生物过程生成效应分子，用于疾病治疗、降解有机物或传感等医疗领域。压电催化医学由医学、材料学、化学和物理学等多个学科交叉形成，旨在通过压电材料的催化作用引导化学反应的发生，实现可控、无创、高效、甚至智能化的医学应用，为守护人类健康提供新技术。为了进一步开拓新型医疗技术手段，尤其是疾病的治疗模式，该综述总结了压电催化医学的新研究进展。在本文中，作者首先概述了压电催化的原理及相关压电材料的设计与制备，随后深入总结了压电材料在医学领域的应用，后对压电催化医学的主要挑战和未来前景进行了总结和展望。

内容要点：压电效应是指在缺少对称中心的晶态物质中，由机械变形产生电极化现象和反之由电场极化引发机械变形的现象。压电材料可以通过压电效应将压力转化为电场，反之亦然。在此过程中，压电材料的正负电荷中心被分离，产生压电势。压电效应引起的高效界面电荷转移赋予压电材料良好的氧化还原催化活性。在压力作用下，压电材料可以释放电子/空穴，催化底物的氧化还原反应，这被称为“压电催化”。作者根据经典的研究对压电催化的原理进行了简明的描述，包括能带理论和筛选电荷效应。简略概述了压电催化剂的设计、制备和表征，并指出了高性能压电催化剂的设计要点。能带理论原理：压电催化剂的能带结构(价带和导带)决定其催化特定化学反应的能力，压电势可以调节能带结构，并控制内部载流子向催化剂表面的迁移。具体来说，压电材料在受到外界机械刺激下发生极化，会因电荷中心的位移导致材料形变，极化电位的正负电荷随之分布在压电材料的两侧，而此间产生的电荷参与到化学反应中。如图2所示，由压电效应产生的压电电势会改变压电材料的价带(VB)和导带(CB)的能量变化，使在压电材料界面上的电荷交换容易发生，从而高效催化氧化还原反应。

筛选电荷效应原理：压电势作为驱动力催化反应的发生。如图3所示，参与氧化还原反应的电荷是来自外部系统的表面吸附的筛选电荷，而不是来自材料的内部电荷。在此过程中，压电电位的大小应该完全达到或超过氧化还原电位水平才能触发反应。具体来说，在压电极化场作用下，水分子或氢氧根离子会被吸引到材料表面，以补偿极化束缚电荷，随后会发生离解过程，在材料表面产生电子，继而参与到氧化还原反应中。

作者系统总结了压电催化医学在肿瘤治疗、抗菌治疗、有机物降解、组织修复与再生、生物传感等方面的新研究进展，重点介绍了相应的材料设计、机理、应用的优势和不足。在肿瘤治疗中，压电催化治疗的机理可以简单概括为:（1）催化产生活性物质进行氧化还原反应，杀死癌细胞;（2）产生电信号影响生物活动，从而促进癌细胞凋亡;（3）作为纳米发电机，增强催化治疗效果。在抗菌治疗中，其催化产生的活性物质会参与细菌代谢的电子转移链，从而破坏细菌细胞壁，使细菌蛋白质变性；同时，压电催化剂的正电荷表面也会干扰细菌的活性，这些抗菌机制均规避了细菌耐药性，使广谱抗菌成为可能。在有机毒性物质的降解中，例如降解抗生素和致癌毒物的过程中，其催化产生的活性物质对有机物表现出很高的降解活性。由于电荷可以影响组织的发育和再生，压电材料产生的电刺激可影响其与细胞的相互作用和生物过程，故其被广泛应用于组织修复和再生工程。而在生物传感中，压电传感器一方面可以利用其机电耦合特性，从环境或人体活动(如行走、心跳和呼吸)中收集低强度动能，进行信号放大和转换;另一方面，它们可以通过高效的催化反应实现超高反应速率，因此，可进行呼吸、心跳、生物分子和病毒等的检测和传感。此外，近报道的部分压电医用材料还可以与生命医学领域的其他技术结合使用，发挥好的效力，例如结合电磁催化疗法引发目标肿瘤细胞的凋亡，结合光动力或声动力疗法抗细菌感染并促进伤口愈合等。本文对以上研究均有系统介绍。作者深入分析了压电催化医学在材料设计、机理研究、安全评估、生产标准和联合疗法等方面涉及的关键科学问题，并提出了相应的潜在解决策略。这一成果得到了编辑和审稿专家的一致认可，同济大学医学院硕士研究生陈思为论文作者，通讯作者为同济大学医学院逯向雨助理教授和施剑林院士。

同济大学已经在我单位采购了ZJ-3型压电测试仪和PZT-JH30/3型压电极化装置，这些都是在压电材料方面广泛使用的设备，相信对于科研发展和研究有着重要意义。