Ученые изобрели новые рассасывающиеся биоматериалы для имплантируемых медицинских устройств

Aug 31, 2023

10 августа 2023 г. диалог

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

написано исследователем(ями)

корректура

от Чжуоминь Чжан

Что, если бы в наших телах были крошечные устройства, которые могли бы постоянно контролировать поврежденные артерии, ускорять регенерацию костей и заживление ран или облегчать доставку лекарств для лечения рака? Это может открыть замечательные возможности для лечения заболеваний человека и расширения наших возможностей за пределами биологии.

Для создания этих устройств можно использовать пьезоэлектрические биоматериалы, которые могут генерировать электрические сигналы посредством механического напряжения, создаваемого движениями тела, такими как растяжение мышц, дыхание, кровоток и небольшие движения. Им не потребуются батарейки, и они будут спроектированы таким образом, чтобы безопасно растворяться внутри тела после выполнения своей задачи.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2021 года присуждена учёным Давиду Юлиусу и Ардему Патапутяну, разгадавшим тайну человеческого ощущения прикосновения и боли. Они подтвердили, что клетки чувствуют давление и вызывают ощущение прикосновения посредством эффектов электромеханического взаимодействия белков Piezo 1 и Piezo 2. Мы вдохновлены этим великим открытием и думаем о новых научных достижениях в области пьезоэлектрических биоматериалов и подталкивая их к реальным приложениям.

В настоящее время большинство пьезоэлектрических материалов являются жесткими и хрупкими, а некоторые из них даже содержат токсичные материалы, что делает их непригодными для имплантации в организм человека. Пьезоэлектрические биоматериалы являются многообещающей альтернативой, поскольку они естественным образом обладают биосовместимостью, надежностью и рассасываемостью.

Однако пьезоэлектрическая прочность природных пьезоэлектрических биоматериалов, таких как кость и дерево, слаба из-за неупорядоченной ориентации. Это делает их неготовыми для реальных приложений. Следовательно, наведение порядка в пьезоэлектрических биоматериалах и улучшение их пьезоэлектрического эффекта чрезвычайно важно. Однако манипулирование биомолекулами в больших масштабах с выровненной ориентацией, необходимой для правильного функционирования, оказалось сложной задачей.

Здесь мы представили обобщаемую стратегию, которая позволяет биомолекулам самособираться на большой площади с одинаковой ориентацией посредством синергетического наноконфайнмента и электрического поля in-situ. Биомолекулярные пленки имеют плотную, компактную структуру с одинаково высокой пьезоэлектрической прочностью, превосходящую большинство известных биоорганических пленок.

Кроме того, благодаря эффекту наноконфайнмента термостабильность этих нанокристаллических пленок значительно улучшена по сравнению с их объемными кристаллами (температура разрушения повышена с 67°С до 192°С).

Фактически, в 2022 году мы уже опубликовали исследование биопьезоэлектрических тканей в журнале Advanced Materials под названием «Биопьезоэлектрические ультратонкие пленки подслизистой оболочки, обработанные отшелушиванием Ван-дер-Ваальса». В данной работе мы систематически изучали биопьезоэлектричество многослойной подслизистой оболочки тонкой кишки Ван-дер-Ваальса (СИС).

Впервые мы количественно определили присущую SIS пьезоэлектричество с помощью современной силовой микроскопии пьезоотклика (PFM) и выявили природу его биопьезоэлектричества. Мы предложили процесс ван-дер-ваальсовой эксфолиации (vdWE), использующий слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия в многослойных мягких биологических тканях для получения ультратонких пленок (100 нм) с эффективными пьезоэлектрическими доменами посредством простого механического пилинга.