压电催化医学研究进展综述

压电材料可以通过压电效应将机械力转化为电场，反之亦然。压电效应诱导的有效界面电荷转移有助于压电材料具有良好的氧化还原催化活性。在机械能的触发下，压电催化材料可以释放电子/空穴并催化底物的氧化还原反应，这被称为压电催化。在医学中，这些材料可以作为智能生物材料，通过影响它们与细胞的相互作用和生物过程，在机械刺激下实现相应的治疗效果。



压电材料工作原理   作为一颗冉冉升起的新星，具有超高反应活性的活性氧在抗菌、癌症治疗等催化医学领域得到了广泛的应用。传统的光催化介导活性氧策略渗透深度有限，无法精确调节，相比之下，压电催化剂能够在受控刺激下释放电子，催化底物（例如水、氧）的氧化还原反应，生成活性氧，以杀死癌症，降解有毒有机物质或在没有组织穿透限制的情况下进行灭菌。

在机械能的触发下，压电催化材料可以释放电子/空穴，催化底物的氧化还原反应，或干预生物过程，促进效应分子的产生，用于医疗目的，如去污、杀菌和治疗。压电催化的这种医学应用被称为压电催化医学（PCM）。近期，同济大学医学院施剑林院士和逯向雨助理教授等人发表综述，概述了压电催化医学的最新研究进展。

首先，文章介绍了压电催化的原理和压电材料的制备方法。然后，全面总结了压电催化材料在肿瘤治疗、防腐、有机物降解、组织修复和再生以及生物传感等方面的医学应用。最后，作者还讨论并提出了压电催化医学的主要挑战和未来前景，以期推动这一新兴科学学科的发展。相关综述文章以“Piezocatalytic Medicine: An Emerging Frontier using Piezoelectric Materials for Biomedical Applications”为题发表在Advanced Materials。

压电催化医学原理

压电效应是电荷在某些具有非中心对称结构的固体材料中对机械应力的反应。压电材料可以是有机材料（主要是聚合物），也可以是无机材料。在无机压电晶体中，由于介电材料的晶体结构中离子的非反对称配置，内部极化随着施加的应力线性变化，导致在材料边界上建立电场，即压电效应。

在有机压电聚合物中，压电效应取决于聚合物的分子形成及其方向。2010年，研究首次报道了压电材料ZnO和BaTiO₃能够在超声波照射下分解水分子，并由此提出了压电化学效应，后来也被称为压电催化效应。此后，利用压电电荷催化化学反应的压电催化逐渐被引入抗菌、有机降解、癌症治疗、生物分子检测、组织修复和再生等医疗目的，而压电催化医学在这一领域得到了迅速发展并取得了丰硕进展（图1）。

压电催化将压电效应和催化作用耦合起来。通过利用压电材料的可调谐电子态，可以在周围介质的化学性质和应变感应的作用下引发或加速化学反应。到目前为止，已经发展出两类压电催化机制，即能带理论和屏蔽电荷效应，这两类机制都从各自的基本概念和实验观察为压电催化提供了合理的解释，但它们彼此不同，可以应用于不同的场景。

在能带理论中，压电电势调节能带结构并控制内部载流子向催化剂表面的迁移，主要是能带排列（价带和导带状态）决定了压电催化剂在催化特定化学反应中的活性。在屏蔽电荷效应中，压电电势作为催化反应的驱动力，其中参与氧化还原反应的电荷是来自外部系统的表面吸附的屏蔽电荷，而不是材料内部产生的内部电荷。因此，为了启动反应，压电电势的大小应该完全达到或超过氧化还原电势。

压电催化医学的发展

压电催化材料

在压电催化剂的制备中，压电材料的选择是获得良好压电催化性能的前提。压电材料的类型包括无机材料、有机材料和复合材料。一般来说，压电陶瓷和铁电材料比其他材料具有更高的压电系数，而聚合物比无机材料具有更低的介电常数，并且复合材料可以在特定应用中呈现陶瓷和聚合物的组合优势。根据所需的材料性质，压电材料通常通过经典合成方法制备，如水热法、模板合成法、机械力化学合成法和化学沉积法。

为了赋予材料更好的性质，压电材料的催化活性也可以通过球磨活化、熔体淬火、局部引入异质结构等方法来增强。而在材料表征中，X射线衍射（XRD）通常用于晶体结构分析；扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）通常用于获得微/纳米尺寸区域的组成和形态信息以及尺寸分布数据；压电响应力显微镜（PFM）、隧道原子力显微镜（TUNA）和密度泛函理论（DFT）计算通常用于表征材料的压电性质。   

应用

基于压电催化剂的压电催化医学因其优异的催化性能、高组织穿透性能和良好的生物相容性而引起了社会的极大关注；它能够以非常低的成本根除肿瘤，并且可以有效地抑制肿瘤复发。机械刺激下的压电催化机制可概括为：1）催化活性氧的产生，以氧化还原反应杀死癌症细胞；2）产生电信号影响生物活性，从而促进癌症细胞的凋亡；3）用作纳米发生器以增强催化治疗。同理，压电效应产生的ROS也可以参与细菌代谢的电子转移链，从而破坏细菌细胞壁并使细菌蛋白质变性。因此，压电催化剂也可在杀菌和消毒中发挥重要作用。除了疾病治疗，医疗领域还有护理和预防需要关注。随着大量化学合成药物的排放，医疗废水严重危害公众健康安全，已成为亟待解决的重要问题。

压电催化剂通过在机械力（如超声振动）下促进氧化还原反应的ROS产生，对有机物表现出超高的降解活性。因此，压电催化剂可用于医疗领域，用于个人医疗保健中的生物有机物降解和含有大量有毒物质（如药物和有毒染料）的医疗废水处理。此外，由于组织的发育和再生会受到电场的影响，压电材料在受到压力时可以产生电场，这使它们能够很好地匹配生物电活动。而电刺激已被证明可以促进细胞生长、分化和组织生长，因此，压电催化有望有效促进细胞修复，并被广泛应用于组织修复工程中。最后，在传感器方面，基于压电材料的生物传感器已经出现，可用于测量细胞和组织的机械变形以进行细胞和组织表征，在自供电医疗电子设备中用作能量采集器，辅助检测特定生物分子，以及构建医疗保健监测系统（图2）。



压电催化医学的应用   

总之，压电催化剂将在未来的各种医疗领域，如重症治疗、伤口和医疗设备消毒、神经和骨骼修复以及生物传感等，继续发挥重要作用。然而，在压电催化医学领域，巨大的潜力和巨大的挑战仍有待探索和解决。在未来，研究人员还应该关注压电材料体系的设计、机制、安全性、规模化生产以及与其他疗法协同作用等方面的问题。

审核编辑：刘清