Ny nanoteknologi vil muliggøre en sund elektrisk strømproduktion inde i menneskekroppen

En ny nanoteknologisk udvikling af et internationalt forskerhold ledet af Tel Aviv University-forskere vil gøre det muligt at generere elektriske strømme og spænding i den menneskelige krop gennem aktivering af forskellige organer (mekanisk kraft). Forskerne forklarer, at udviklingen involverer et nyt og meget stærkt biologisk materiale, ligner kollagen, som er ugiftigt og ikke forårsager skade på kroppens væv. Forskerne mener, at denne nye nanoteknologi har mange potentielle anvendelsesmuligheder inden for medicin, inklusive høst af ren energi til at betjene enheder implanteret i kroppen (såsom pacemakere) gennem kroppens naturlige bevægelser, eliminerer behovet for batterier.

Undersøgelsen blev ledet af prof. Ehud Gazit fra Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research ved Wise Faculty of Life Sciences, Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Fleischman Faculty of Engineering og Center for Nanoscience and Nanotechnology, sammen med sit laboratorieteam, Dr. Santu Bera og Dr. Wei Ji.

Også forskere fra Weizmann Institute og en række forskningsinstitutter i Irland deltog i undersøgelsen, Kina og Australien. Som et resultat af deres resultater, forskerne modtog to ERC-POC-bevillinger med det formål at bruge den videnskabelige forskning fra ERC-bevillingen, som Gazit tidligere havde vundet til anvendt teknologi. Forskningen blev offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Naturkommunikation .

Prof. Gazit, som også er stiftende direktør for Blavatnik Center for Drug Discovery, forklarer:"Kollagen er det mest udbredte protein i den menneskelige krop, udgør omkring 30 % af alle proteinerne i vores krop. Det er et biologisk materiale med en spiralformet struktur og en række vigtige fysiske egenskaber, såsom mekanisk styrke og fleksibilitet, som er nyttige i mange applikationer. Imidlertid, fordi selve kollagenmolekylet er stort og komplekst, forskere har længe ledt efter en minimalistisk, kort og simpelt molekyle, der er baseret på kollagen og udviser lignende egenskaber. For omkring halvandet år siden, i journalen Naturmaterialer , vores gruppe offentliggjorde en undersøgelse, hvor vi brugte nanoteknologiske midler til at konstruere et nyt biologisk materiale, der opfylder disse krav. Det er et tripeptid - et meget kort molekyle kaldet Hyp-Phe-Phe, der kun består af tre aminosyrer - i stand til en simpel selvsamlingsproces og danner en kollagenlignende spiralstruktur, der er fleksibel og har en styrke svarende til den metallet titanium. I nærværende undersøgelse, vi søgte at undersøge, om det nye materiale, vi udviklede, har en anden egenskab, der kendetegner kollagen - piezoelektricitet. Piezoelektricitet er et materiales evne til at generere elektrisk strøm og spænding som et resultat af påføring af mekanisk kraft, eller omvendt, at skabe en mekanisk kraft som et resultat af udsættelse for et elektrisk felt."

I undersøgelsen, forskerne skabte nanometriske strukturer af det konstruerede materiale, og ved hjælp af avancerede nanoteknologiske værktøjer, påført mekanisk pres på dem. Eksperimentet afslørede, at materialet faktisk producerer elektriske strømme og spænding som følge af trykket. I øvrigt, små strukturer på kun hundredvis af nanometer demonstrerede et af de højeste niveauer af piezoelektrisk evne, der nogensinde er opdaget, sammenlignelig med eller overlegen i forhold til de piezoelektriske materialer, der almindeligvis findes på dagens marked (hvoraf de fleste indeholder bly og derfor ikke er egnede til medicinske anvendelser).

Ifølge forskerne, opdagelsen af ​​piezoelektricitet af denne størrelsesorden i et nanometrisk materiale er af stor betydning, da det demonstrerer det konstruerede materiales evne til at fungere som en slags lille motor til meget små enheder. Næste, forskerne planlægger at anvende krystallografi og beregningsmæssige kvantemekaniske metoder (densitetsfunktionsteori) for at opnå en dybdegående forståelse af materialets piezoelektriske adfærd og derved muliggøre nøjagtig konstruktion af krystaller til bygning af biomedicinske anordninger.

Prof. Gazit tilføjer:"De fleste af de piezoelektriske materialer, som vi kender til i dag, er giftige blybaserede materialer, eller polymerer, hvilket betyder, at de ikke er miljøvenlige og menneskelige kropsvenlige. Vores nye materiale, imidlertid, er fuldstændig biologisk, og derfor velegnet til brug i kroppen. For eksempel, en enhed lavet af dette materiale kan erstatte et batteri, der leverer energi til implantater som pacemakere, selvom det bør udskiftes fra tid til anden. Kropsbevægelser - som hjerteslag, kæbebevægelser, afføring, eller enhver anden bevægelse, der opstår i kroppen med jævne mellemrum - vil oplade enheden med elektricitet, som løbende vil aktivere implantatet."

Nu, som en del af deres fortsatte forskning, forskerne søger at forstå de molekylære mekanismer i det konstruerede materiale med det mål at realisere dets enorme potentiale og omdanne denne videnskabelige opdagelse til anvendt teknologi. På dette tidspunkt, fokus er på udvikling af medicinsk udstyr, men Prof. Gazit understreger, at "miljøvenlige piezoelektriske materialer, som den, vi har udviklet, har et enormt potentiale på en lang række områder, fordi de producerer grøn energi ved hjælp af mekanisk kraft, der alligevel bliver brugt. For eksempel, en bil, der kører ned ad gaden, kan tænde gadelyset. Disse materialer kan også erstatte blyholdige piezoelektriske materialer, der i øjeblikket er i udbredt brug, men det giver anledning til bekymring om lækage af giftigt metal til miljøet."