随着医学领域对新型材料的需求不断增长，开发具有多种应用场景的压电材料对生物传感器的进步具有重要意义。近年来，生物基压电材料（如氨基酸、多肽等）因其优异的生物相容性与可降解性，逐渐在医学生物力传感器中获得应用。然而，由于生物分子晶体内部的自组装堆叠构型等多重因素的限制，在分子层面调控与提升生物材料的压电性能依然面临着巨大挑战。

近日，南京大学薛斌副教授、曹毅教授、王炜教授及其团队，提出了氟取代氨基酸用于增强分子晶体压电特性的策略，以三种常见氨基酸为研究对象，通过氟化分子设计显著提升了氟化氨基酸晶体的压电性能，并构建了具有优异传感性能和良好生物相容性的生物力传感器，通过载体实验验证了其在医学传感领域的广泛应用潜力。

该团队通过在芳香环上的氢原子处引入氟原子，构建了三种氟化氨基酸晶体，并利用单晶X射线衍射（XRD）对晶体结构进行表征，同时结合理论计算和密度泛函理论（DFT）分析，揭示了氟化氨基酸晶体的结构特征。研究发现，氟化氨基酸晶体具有更大的分子偶极矩、壳状力学结构、更窄的能带宽度和显著不同的电子概率密度分布，这些因素共同促进了其压电性能的显著增强。

此外，该团队利用压电力响应显微镜（PFM）与铁电测试仪等表征技术，获得了微观单晶尺度上的自发极化相图、逆压电效应响应结果以及电滞回线数据。与未氟化的氨基酸晶体相比，氟化氨基酸表现出更强的自发极化和压电响应，并且具有优异的铁电性能。与已报道的多种生物材料、有机高分子及无机压电材料相比，氟化氨基酸具有更高的压电系数。

基于氟化氨基酸晶体构建的有机全降解生物力传感器具有体积小、柔韧性好等优点，并表现出高灵敏度和宽广的检测范围。氟化氨基酸传感器的压电电压输出显著高于对照组，且在长时间循环中信号衰减极小。该团队将该生物力传感器植入实验动物皮下，传感系统展现出卓越的信号分辨率和长期传感稳定性。细胞、急性炎症和长期体内降解实验结果表明，氟化氨基酸生物传感器具有良好的生物相容性与可降解性，进一步表明其在医学传感等领域的广泛应用潜力。

在这项研究中，该团队通过引入氟取代策略，探索了氟化氨基酸晶体压电性能增益的机制，结合微观与宏观层次的验证，展现了氟化氨基酸晶体在压电性能方面的优异表现。基于这些研究，开发了有机生物力传感器，并进一步评估了其在医学传感领域的应用前景。这项研究为通过分子工程设计提高生物分子晶体材料的压电性能以及其他半导体特性提供了普适的策略。

Molecular Engineering of Amino Acid Crystals with Enhanced Piezoelectric Performance for Biodegradable Sensors

Yuanqi Cheng, Tianjian Wang, Haoqi Zhu, Prof. Xueli Hu, Jing Mi, Lan Li Yu Zhang, Jiapeng Yang, Liang Dong, Prof. Ying Li, Prof. Wenxu Sun, Prof. Xiaomei Lu, Prof. Wei Wang, Prof. Yi Cao, Prof. Bin Xue

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202500334