AM综述：压电催化医学：将压电材料用于生物医学应用的新兴前沿
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阅读： 2023/2/23 10:31:57
以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL
新兴的压电催化剂在各个医学领域都显示出了巨大的应用潜力。除了超高的催化活性外，其固有的独特的载流子释放特性可用于引发各种氧化还原催化反应，在未来的医疗应用中具有广阔的前景。压电催化材料由机械能触发，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。这种压电催化的医学应用在这里被称为压电催化医学(PCM)。
为了开拓新的医疗技术，特别是治疗方式，来自同济大学医学院的Lu Xiangyu和施剑林院士团队提供了在压电催化医学方面的最新研究进展。首先介绍了压电催化的原理和压电材料的制备方法。然后，对压电催化材料在肿瘤治疗、防腐、有机降解、组织修复和再生以及生物传感等方面的医学应用进行了全面的综述。最后，讨论并提出了压电催化医学的主要挑战和未来前景，期望推动这一新兴科学学科的发展（图1）。相关论文“Piezocatalytic Medicine: An Emerging Frontier Using Piezoelectric Materials for Biomedical Applications”于2023年1月12日在线发表于杂志《Advanced Materials》上。
压电催化结合了压电效应和催化作用。利用压电材料的可调谐电子状态，可以在周围介质的化学性质和应变感应下引发或加速化学反应。作者介绍了目前发展的两类压电催化机理，即能带理论（图2）和筛选电荷效应（图3）。它们都从各自的基本概念和实验观察中为压电催化提供了合理的解释，但彼此不同，可以应用于不同的场景。
附的屏幕电荷，蓝点:来自材料的内部电荷，P:压电极化)
随后，作者介绍了压电催化材料的制备与表征。压电材料通常采用经典的合成方法制备，如水热法、模板法、机械力化学合成法和化学沉积法。为了使材料具有更好的性能，还可以通过球磨活化、熔体淬火、局部引入非均相结构等方法来提高材料的催化活性。材料表征方面，XRD一般用于晶体结构分析；SEM和TEM通常用于获取微/纳米区域的成分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能。压电催化过程中产生的自由基的类型和活性通常通过自由基猝灭和电子顺磁共振波谱(EPR)来评估。
然后，研究者对压电催化材料在肿瘤治疗（图4）、抗菌（图5）、有机降解（图6）、组织修复和再生（图7）以及生物传感（图8）等方面的医学应用进行了全面的综述。
文章最后，作者讨论并提出了压电催化医学的主要挑战和未来前景。
（1）材料设计方面：可以筛选高效压电催化材料，探索压电催化在药物中的作用机理，优化压电催化材料的设计和制备。还可以考虑将压电催化材料集成到与药物相关的人工生物电气系统中，既用于监测，也用于治疗，这可能为医疗带来新的机会。
（2）机理研究方面：压电催化纳米材料在生物体内应用的具体催化机制仍有待进一步研究。
（3）安全性评价方面：需要注意压电催化材料对生物体代谢的影响和长期安全性跟踪。此外，对压电催化剂的生物效应进行全面深入的验证，如通过耐药菌试验验证其抗菌效果，通过长期稳定性试验揭示其催化耐久性，以及对其使用寿命的研究等。
（4）工业化方面：高性能压电催化剂的可扩展但简便的制造技术应得到开发和标准化，以促进临床转化。大规模生产、再现性和物理化学性质的精确调制是有待进一步解决的关键问题。
（5）与其他疗法的协同方面：压电催化材料可以与其他临床可用的医疗方式相结合，以提高治疗效果。例如，在与免疫治疗的结合中，利用具有高催化活性和电场效应的压电材料在肿瘤微环境中产生ROS杀死癌细胞，同时激活免疫反应，实现压电催化与免疫治疗的协同作用。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202208256
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