自组装的生物相容性分子带能够存储能量和信息。

想象一下，有一款像智能手表一样能监测你的步数和心跳的手环，或者配有内置空调能让你保持凉爽的衣物，甚至是一种比笨重的起搏器更有助于心脏正常发挥功能的柔性植入物……这就是研究人员创造出的一种新型电活性材料的前景。这种材料是通过将叫作肽的氨基酸短链与聚合物塑料片段相结合而制造出来的。2024年10月，《自然》（Nature）杂志报道了这种“电塑料”，它能够储存能量或记录信息，从而为自供电可穿戴设备、实时神经接口以及与人体融合度更高的医疗植入物打开了大门。

大多数电子材料都是刚性的或含有有毒金属，这使得设计出适合人体结构或可嵌入组织内的设备变得很困难。20世纪40年代发现的一种名为聚偏二氟乙烯（PVDF）的聚合物是为数不多的可用于电子设备的软塑料之一。PVDF具有极性结构，当受到外部电压刺激时方向会发生变化——相当于化学领域的电子位翻转。然而，这些“铁电”性质并不稳定，在较高温度下会消失。此外，这种塑料还需要高电压来切换极性，使得其操作起来更加耗能。

美国西北大学的材料科学家塞缪尔· 斯塔普（Samuel Stupp）和他的同事认为，他们可以改善PVDF的性能。该团队将肽与小的PVDF片段连接起来，这些片段可以自然地组装为长而柔软的带状物。然后，这些分子会聚集成束并排列成电活性材料。斯塔普说：“值得一提的是，加水就能触发自组装过程。”

这种新材料克服了PVDF的局限性。它切换极化状态所需的电压仅为其他铁电材料的1/100，这使其成为低功耗应用的理想选择。而且，它在110°C的温度下仍能保持铁电特性，比其他PVDF材料高出约40°C。

斯塔普的新材料可以通过电来切换每个条带的极性以储存能量或记录信息。每个条带末端的肽可以与神经元或其他细胞上的蛋白质相连，从而使得这些分子能记录来自大脑、心脏或其他器官的信号，或对它们进行电刺激。斯塔普说，使用超声波等低功率技术为分子“充电”后，这种材料就可以用来刺激神经元，以治疗慢性瘫痪。

该研究的共同作者、美国西北大学的电力工程师杨阳（Yang Yang，音译）指出，PVDF具有生物相容性，是开发可从体外进行无线控制的软植入物非常有前景的候选材料。

尽管PVDF无毒，但一些研究人员对其在环境中的长期影响持谨慎态度。含氟化合物在环境中可以存在数百年——这也是欧洲提出禁止PVDF的原因之一。

美国明尼苏达大学双城分校的环境工程师威廉· 阿诺德（William Arnold）未参与该研究，他表示，微生物可能会将PVDF片段分解成三氟乙酸，这是一种新兴的污染物。此外，他补充道，为了制备分子带，斯塔普的团队使用了一种全氟和多氟烷基物质分子，这是另一种持久性含氟化合物，它对环境和人类健康都有影响。

到目前为止，斯塔普的团队只对这些分子进行了小规模评估。美国北卡罗来纳大学教堂山分校的化学家弗兰克· 莱布法斯（Frank Leibfarth）说，要扩大规模，就需要将水悬浮结构沉积到设备上，而不改变它们。他也没有参与该研究，不过，他说：“与其他有机聚合物相比，这一进展已经具备了许多吸引人的特性。”

尽管面临挑战，但斯塔普相信，肽和PVDF的结合是成功的秘诀。他说：“这篇论文的概念要比偏二氟乙烯广泛得多。或许还有其他不需要用到氟的解决方法。”他希望这种材料能为我们开启一个崭新的未来，届时，技术不仅仅影响我们，而且能与我们融为一体。

资料来源Science