通讯作者：张彦虎副教授、杨征保教授

通讯单位：江苏大学机械工程学院、香港科技大学机械与航空工程系

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500466

研究背景

随着人类对医疗水平提升和可持续发展的迫切需求，生物压电材料的机制与特性研究正不断深入。尽管其在多领域展现出巨大潜力，现有的设计与优化策略依然面临诸多挑战。以往研究多聚焦于材料的化学成分和物理性质，但在微观与纳米级结构的精准控制上仍显不足，而这些精细结构对材料的宏观性能往往起着决定性作用。如何通过创新性结构设计全面提升性能和功能，已成为推动这一领域突破的关键瓶颈。在压电材料中，当施加电场进行极化时，材料内部会形成不同取向的电畴结构。这些电畴之间的边界不仅是简单的分界线，它们的排列方式和空间分布实际上构成了材料的微观拓扑特征。电畴边界的分布与材料的电、机械耦合特性密切相关，而这些耦合特性又决定了材料在不同应用场景中的响应能力。拓扑在这一背景下提供了一个深层次的描述工具，它不仅能够描绘电畴如何在材料内部相互连接和排列，还能解释这种结构如何影响材料的整体性能和稳定性。在此背景下，拓扑学作为一门研究几何形态和空间结构的数学工具，为探索复杂结构提供了独特而强大的方法。

图文解析

图1. 拓扑结构与生物压电材料的关键里程碑

图2. 生物压电系统中拓扑策略的比较示意图

图3. 智能结构优化和先进制造技术用于增强生物压电材料的拓扑设计

图4. 生物压电材料中的优化策略与性能预测

总结与展望

本综述系统探讨了生物压电材料中的拓扑结构设计对其性能与功能的深远影响。从微观分子结构到宏观组装形式，不同层次的拓扑设计展现了其在材料电学性能、机械性能及生物性能方面的关键作用。分析了拓扑优化在多功能集成和复杂应用中的潜力，涵盖了从压电系数提升到多场耦合功能增强的最新进展。针对生物压电材料在能量转换效率、长期稳定性及生物兼容性等方面的技术瓶颈，本文介绍了多尺度设计、机器学习辅助优化及高精度工艺创新等应对策略，并进一步探讨了其在健康监测、生物传感、能量收集与疾病治疗等领域的应用前景和挑战。最后，本文展望了未来研究的方向，为推动生物压电材料的发展提供了新的理论指导和实践路径。

图5. 生物压电材料的潜在应用和相互关系

本工作得到了国家自然科学基金（51705210）、江苏省博士后科研资助计划（2019K195 ）、深港联合创新项目（SGDX20190919102801693）、香港科技大学、香港特别行政区创新科技委员会创新科技基金（项目编号: MHP / 013 / 23）的资助。江苏大学硕士生陈晨为论文第一作者，合作者包括香港城市大学郑毅博士，江苏大学硕士生张奕、刘弘毅，山东大学吴疆教授，克兰菲尔德大学杨倞博士。

课题组介绍

张彦虎副教授团队介绍：TPM-Tribology, Piezoelectricity, Measurement。研究方向有：压电驱动技术及超声波马达；激光先进制造技术及其装备；应用摩擦学与低温环境测评。 Email：zhyh@ujs.edu.cn

杨征保教授团队介绍：香港科技大学机械与航空工程系 杨征保教授是Smart Transducers and Vibration Laboratory (STVL)实验室主任，多年并被斯坦福大学评选为“全球前2%的科学家”之一，“Sensors”, “Smart Materials and Structures”, and “IEEE/ASME Transactions on Mechatronics”等专业期刊编辑。他的研究兴趣包括智能材料和机电一体化，特别强调压电材料、能量收集器和无线传感器系统的开发。杨教授在中国和美国申请了24项专利，并在高影响力期刊上发表了超过130篇学术文章，其中包括在过去五年中发表的15篇《自然》和《科学》系列论文。实验室长期招收博后、博士和访问学者，欢迎感兴趣的同学联系zbyang@ust.hk。

课题组网站：https://yanglab.hkust.edu.hk/

原文信息

C. Chen,Y. Zhang, Y. Zheng, Y. Zhang, H. Liu, J. Wu, L. Yang, Z. Yang, Topology in Biological Piezoelectric Materials. Adv. Mater. 2025, 2500466.