Ny eksfolieringsteknik genvinder biomaterialers piezoelektricitet

Piezoelektriske materialer er anvendelige inden for det biomedicinske område, og hvis de kan være biokompatible og nedbrydelige, vil det være et stort skridt i retning af rigtige anvendelser. For nylig udviklede et forskerhold ved City University of Hong Kong (CityU) en simpel eksfolieringsmetode til at fremstille ultratynde film af tyndtarmsvæv fra får. Dette biologiske væv er blevet anset for ikke at have piezoelektriske egenskaber på makroskala, men CityU-forskerholdet opdagede, at hvis materialet er ultratyndt, kan det vise piezoelektricitet. Med sin naturlige biokompatibilitet mener holdet, at et sådant piezoelektrisk biomateriale sandsynligvis kan bruges i forskellige biomedicinske applikationer, såsom sensorer og smarte chips.

Forskningen blev ledet af Dr. Yang Zhengbao, adjunkt ved Institut for Mekanisk Teknik (MNE). Deres resultater blev offentliggjort i det akademiske tidsskrift Advanced Materials , under titlen "Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films."

Potentiel anvendelse af piezoelektriske biomaterialer i det biomedicinske område

Piezoelektricitet er elektricitet som følge af påføring af tryk. Piezoelektriske biomaterialer har en potentiel effekt af piezoelektricitet på biologiske væv, såsom at lette vævsgendannelse og knogleregenerering, og kan også anvendes i implanterbare sensorer og aktuatorer. Men på grund af de høje omkostninger og teknologiske begrænsninger forbliver det meste af forskningen om piezoelektricitet på biologiske væv teoretisk.

2021 Nobelprisen i fysiologi eller medicin blev tildelt videnskabsmændene David Julius og Ardem Patapoutian, som løste mysteriet om den menneskelige følelse af berøring og smerte. De verificerede, at celler fornemmer tryk og fremkalder berøringssansen gennem de elektromekaniske koblingseffekter af proteinerne Piezo 1 og Piezo 2. Faktisk er den piezoelektriske effekt en type elektromekanisk koblingseffekt, som i vid udstrækning findes i piezoelektriske biologiske væv, som f.eks. knogler, uld, sener og epidermis.

På den anden side er tyndtarmssubmucosa (SIS), som er et lag af tyndtarmsvæv, der understøtter slimhinden og forbinder den med det muskulære lag, blevet undersøgt bredt. Takket være dens biokompatibilitet og manglen på uønskede reaktioner i transplantationer på tværs af arter har tyndtarms submucosa et stort potentiale for biomedicinske anvendelser og bruges almindeligvis som et "stillads" til reparation af væv som sener. Men har tyndtarmens submucosa en piezoelektrisk effekt?

"I 1960'erne observerede den berømte japanske videnskabsmand Eiichi Fukada en direkte, men svag piezoelektrisk effekt i tarmene på makroskopisk niveau," sagde Dr. Yang. "På grund af de teknologiske begrænsninger af måleudstyr på det tidspunkt, kunne kvantitativ bestemmelse af den iboende piezoelektriske effekt imidlertid ikke påvises. Så årsagen til dets biologiske piezoelektricitet forblev et mysterium."

Nøglen til genereringen af ​​den piezoelektriske effekt

Før man rent faktisk anvender tyndtarmssubmucosamateriale i medicinsk teknik, er det nødvendigt at verificere, om det kan generere en piezoelektrisk effekt og måles kvantitativt. For at tackle disse to nøgleproblemer undersøgte Dr. Yang og hans team systematisk strukturen af ​​tyndtarmens submucosa fra får og dens biologiske piezoelektricitet. Til sidst målte holdet for første gang den iboende piezoelektriske effekt af tyndtarmens submucosa kvantitativt. Efter flere målingsrunder afslørede holdet, at nøglen til genereringen af ​​den piezoelektriske effekt i tyndtarmens submucosa lå i den hierarkiske struktur af dens kollagenfibre.

"Vi fandt ud af, at tyndtarmens submucosa er naturligt dannet med hundredvis af lag af kollagenfibre, med en generel tykkelse på ti millimeter," sagde Zhang Zhuomin, Dr. Yangs Ph.D. studerende og avisens første forfatter. "Ifølge vores forskning er det vanskeligt at udvise piezoelektricitet på det makroskopiske tykkelsesniveau i millimeter, da dets iboende piezoelektriske effekt ville blive udlignet i lagene. Derfor detekteres kun svag eller endda ingen piezoelektricitet på makroskopisk niveau. Vi opdagede, at at gøre tyndtarmens submucosa tyndere kunne overvinde problemet med annullering og 'genoprette' piezoelektricitet. Dette fik os til at udvikle den foreslåede van der Waals eksfolieringsmetode (vdWE) til at fremstille ultratynd film fra tyndtarmens submucosa."

Piezoelektricitet 'genvinder' i ultratynd status

Et af de gennembrud, holdet har opnået i denne forskning, er den foreslåede van der Waals eksfolieringsteknik, en simpel metode til fremstilling af biopiezoelektrisk ultratynd film. Inspireret af forarbejdningsmetoden for todimensionelle materialer såsom grafen, gjorde holdet brug af den svage van der Waals-kraft mellem lagene til at fremstille enkelt- eller flerlags ultratynde film af tyndtarmens submucosa. Den ultratynde film fremstillet ved denne gentagne skrælningsmetode kan nå en tykkelse på 100 nm, hvilket er næsten 800 gange tyndere end det ikke-eksfolierede originale materiale.

Ved hjælp af forberedt ultratynd film fra tyndtarmen udførte holdet en kvantitativ undersøgelse, der undersøgte den biologiske piezoelektricitet og bestemte oprindelsen af ​​dens biologiske piezoelektricitet.

"Filmene udviste en stigning i den effektive piezoelektriske koefficient med et fald i filmtykkelse, op til et mættet niveau på omkring 3,3 pm/V," sagde Dr. Yang. "Baseret på vores vdWE teknik øges piezoresponsen af ​​de ultratynde film med mere end 20 gange sammenlignet med de ikke-eksfolierede originale film. Da problemet med annullering af piezoelektricitet er overvundet i den ultratynde film, kan vi detektere piezoelektricitet, hvilket gør anvendelse af piezoelektriske biologiske væv mulig."

Forskerholdet designede også en biosensor til at verificere den praktiske anvendelse af piezoelektricitet i den ultratynde film af tyndtarmens submucosa. Holdet fandt ud af, at dets naturlige biokompatibilitet, fleksibilitet og piezoelektricitet gør det til et lovende og miljøvenligt materiale til elektromekaniske mikroenheder i implanterbar og bærbar elektronik. Den vdWE-teknik, som holdet foreslog, er let og miljøvenlig og kan også anvendes på forskellige biologiske bløddelsmaterialer med van der Waals lagdelte strukturer, såsom fiskeblærer og ko-achilles-sener. + Udforsk yderligere

Et muligt paradigmeskifte inden for piezoelektricitet