济南实验室曹毅教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》期刊发表重要成果

近日，济南实验室PI曹毅教授，薛斌副教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》（IF：16.1）期刊发表了一篇题为“Molecular Engineering of Amino Acid Crystals with Enhanced Piezoelectric Performance for Biodegradable Sensors”的研究型文章。研究团队利用氟元素修饰多种常见氨基酸，显著提升了生物分子材料的压电性能。值得注意的是，研究团队从多角度解释了氟取代对压电性能提升产生贡献的的原理与机制，这项工作对分子层面调控生物材料的性质具有良好的指导意义。

随着当今医学领域不断提出新的需求，研究开发具有多种应用场景的压电材料对生物传感器的发展意义重大。近年来，多种生物基压电材料，例如氨基酸，多肽等，由于其优异的生物相容性与可降解性逐渐应用于医学生物力传感器。研究者们通过多种调控手段改善生物材料的压电性质，例如应力诱导退火。然而由于生物分子晶体内部自组装堆叠构型等诸多因素限制，在分子层面调控与改善生物材料的压电性能仍然是一个巨大的挑战。

研究团队以三种常见氨基酸为研究对象，通过氟化显著增强了生物分子材料的压电性能，突破了以往研究所采用的例如共晶组装，与高分子耦合等限于宏观和介观层面调控的限制，在微观层面实现对分子构象和自组装结构的精准调控，并从多角度解释背后的原理机制。以此为基础构建的生物力传感器兼具优异传感性能与良好生物相容性，并在动物传感实验中证明其在医学传感中具有广泛的应用场景。

该团队通过取代芳香环上的氢原子为氟原子，构建三种氟化氨基酸。使用单晶XRD对晶体结构进行分析，并结合理论与DFT计算。可以看到，氟化氨基酸具有更大的分子偶极矩，壳状的力学结构，更窄的能带宽度与显著不同的电子概率密度分布，研究人员从多方面解释引入氟原子对分子晶体压电性质的增益机制。

随后该团队借助压电力响应显微镜（PFM）与铁电测试仪等表征技术，提供了在微观单晶尺度上的自发极化相图，逆压电效应响应结果与电滞回线。相比于取代前的三种氨基酸，氟化氨基酸具有更强的自发极化与压电响应，同时具有优异的铁电性能。与已报道的多种生物材料，有机高分子与无机压电材料相比，氟化氨基酸具有更为突出的压电系数。

科研启发

研究团队通过氟化处理常见氨基酸，从多角度解释了氟化氨基酸压电性质增益的机制，为进一步从分子层面调控生物材料的压电性质具有重要的指导意义。

该研究得到了国家重点研发计划（编号2020YFA0908100,2024YFA0919300，2023YFC3605802）、国家自然科学基金（编号T2322010,T2225016,11934008和 1230425）、山东省实验室项目（编号SYS202202）江苏省自然科学基金（编号BK20220120和BK20220600）的资助。