Исследователи HKUST разрабатывают методы самопомощи

Sep 01, 2023

Гонконгский университет науки и технологий

изображение: Изготовление пьезоэлектрических нанокристаллических пленок β-глицина и механизм активной самосборки посредством синергетического наноконфайнмента и поляризации in-situ.посмотреть больше

1 кредит

Исследовательская группа под руководством Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) разработала новую технику самосборки тонкого слоя аминокислот с упорядоченной ориентацией на большой площади, которая демонстрирует высокую пьезоэлектрическую прочность, что позволяет производить биосовместимые и биоразлагаемые медицинские микроустройства, такие как кардиостимулятор и имплантируемый биосенсор, в ближайшем будущем возможны.

Генерация биоэлектричества за счет пьезоэлектрического эффекта – обратимого преобразования механической и электрической энергии – имеет физиологическое значение в живых системах. Пьезоэлектрические заряды, генерируемые большеберцовой костью человека во время ходьбы, способствуют ремоделированию и росту костей. Кроме того, пьезоэлектрический потенциал в легких, генерируемый во время дыхания, может способствовать связыванию кислорода с гемоглобином.

В настоящее время большинство пьезоэлектрических материалов являются жесткими, хрупкими, а некоторые из них даже содержат токсичные материалы, такие как свинец и кварц, что делает их непригодными для имплантации в организм человека. Пьезоэлектрические биоматериалы, такие как аминокислоты, являются многообещающей альтернативой, поскольку они естественным образом демонстрируют биосовместимость, надежность и устойчивость. Однако манипулирование биомолекулами в масштабе с согласованной ориентацией для правильного функционирования оказалось трудным и оставалось международной академической проблемой в течение 80 лет.

Решая давнюю проблему, команда под руководством профессора Чжэнбао ЯНА, доцента кафедры машиностроения и аэрокосмической техники HKUST, недавно разработала стратегию активной самосборки для адаптации тонких пленок из пьезоэлектрических биоматериалов посредством синергетического наноконфайнмента и in-situ. полюсирование (см. рисунок). Это позволяет биомолекулам самоорганизовываться на очень большой площади с одинаковой ориентацией. Что еще более важно, основываясь на этой новой методике, команда обнаружила, что пленки из аминокислоты β-глицина обладают повышенным коэффициентом пьезоэлектрической деформации, равным 11,2 пмВ-1, что является самым высоким показателем по сравнению с другими биомолекулярными пленками.

Их самособирающиеся пьезоэлектрические биомолекулярные пленки способны генерировать электрические сигналы в результате механического напряжения, возникающего при растяжении мышц, дыхании, кровотоке и небольших движениях тела. Не требуя никаких батареек, они просто растворятся в теле, когда их миссия будет завершена.

Профессор Ян сказал: «Наше исследование показывает равномерно высокий пьезоэлектрический отклик и превосходную термостабильность по всей пленке β-глицина. Отличные выходные характеристики, естественная биосовместимость и биоразлагаемость нанокристаллических пленок β-глицина имеют практическое значение для высокопроизводительных переходных биологических электромеханических приложений, таких как имплантируемые биосенсоры, источники питания для беспроводной зарядки биорезорбируемой электроники, интеллектуальные чипы и другие биомедицинские инженерные цели. ».

Команда продолжит изучать способы улучшения гибкости пленки для соответствия биологическим тканям и достижения недорогого массового производства биорезорбируемых пьезоэлектрических пленок. Они также планируют провести эксперименты на животных, чтобы продемонстрировать биомедицинское применение in vivo.

Это исследование является совместной работой с Городским университетом Гонконга и Университетом Вуллонгонга в Австралии. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

Природа

10.1038/с41467-023-39692-у

Экспериментальное исследование

Непригодный

Активная самосборка пьезоэлектрических биомолекулярных пленок посредством синергетического наноконфайнмента и поляризации in-situ.

11 июля 2023 г.

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность пресс-релизов, публикуемых на EurekAlert! содействующими учреждениями или за использование любой информации через систему EurekAlert.