Piezoelektriska material är användbara inom det biomedicinska området, och om de kan vara biokompatibla och nedbrytbara kommer det att vara ett stort steg mot verkliga tillämpningar. Nyligen utvecklade ett forskarlag vid City University of Hong Kong (CityU) en enkel exfolieringsmetod för att förbereda ultratunna filmer av tunntarmsvävnader från får. Denna biologiska vävnad har ansetts inte ha några piezoelektriska egenskaper i makroskala, men CityU forskargrupp upptäckte att om materialet är ultratunt kan det visa piezoelektricitet. Med sin naturliga biokompatibilitet tror teamet att sådant piezoelektriskt biomaterial sannolikt kan användas i olika biomedicinska tillämpningar, såsom sensorer och smarta chips.

Forskningen leddes av Dr. Yang Zhengbao, biträdande professor vid Institutionen för maskinteknik (MNE). Deras resultat publicerades i den akademiska tidskriften Advanced Materials , under titeln "Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films."

Potentiell tillämpning av piezoelektriska biomaterial inom det biomedicinska området

Piezoelektricitet är elektricitet som uppstår genom att man applicerar tryck. Piezoelektriska biomaterial har en potentiell effekt av piezoelektricitet på biologiska vävnader, såsom att underlätta vävnadsåtervinning och benregenerering, och kan även appliceras i implanterbara sensorer och ställdon. Men på grund av de höga kostnaderna och tekniska begränsningarna förblir den mesta forskningen om piezoelektricitet på biologiska vävnader teoretisk.

2021 års Nobelpris i fysiologi eller medicin tilldelades forskarna David Julius och Ardem Patapoutian, som löste mysteriet med den mänskliga känslan av beröring och smärta. De verifierade att celler känner av tryck och framkallar känslan av beröring genom de elektromekaniska kopplingseffekterna av proteinerna Piezo 1 och Piezo 2. I själva verket är den piezoelektriska effekten en typ av elektromekanisk kopplingseffekt, som finns allmänt i piezoelektriska biologiska vävnader, som t.ex. ben, ull, senor och epidermis.

Å andra sidan har tunntarmssubmucosa (SIS), som är ett lager av tunntarmsvävnader som stöder slemhinnan och förenar den med muskelskiktet, undersökts i stor utsträckning. Tack vare dess biokompatibilitet och avsaknaden av negativa reaktioner vid transplantationer över arter, har tunntarmens submukosa stor potential för biomedicinska tillämpningar och används ofta som en "byggnadsställning" för att reparera vävnader som senor. Men har tunntarmens submucosa en piezoelektrisk effekt?

"På 1960-talet observerade den berömda japanska forskaren Eiichi Fukada en direkt men svag piezoelektrisk effekt i tarmarna på makroskopisk nivå", säger Dr Yang. "Men, på grund av de tekniska begränsningarna för mätutrustning vid den tiden, kunde kvantitativ bestämning av den inneboende piezoelektriska effekten inte påvisas. Så anledningen till dess biologiska piezoelektricitet förblev ett mysterium."

Nyckel till genereringen av den piezoelektriska effekten

Innan man faktiskt applicerar tunntarmssubmucosamaterial i medicinsk teknik är det nödvändigt att verifiera om det kan generera en piezoelektrisk effekt och mätas kvantitativt. För att ta itu med dessa två nyckelfrågor undersökte Dr Yang och hans team systematiskt strukturen hos tunntarmens submucosa från får och dess biologiska piezoelektricitet. Så småningom, för första gången, mätte teamet den inneboende piezoelektriska effekten av tunntarmens submucosa kvantitativt. Efter flera mätomgångar avslöjade teamet att nyckeln till genereringen av den piezoelektriska effekten i tunntarmens submucosa låg i den hierarkiska strukturen av dess kollagenfibrer.

"Vi fann att tunntarmens submucosa naturligt bildas med hundratals lager av kollagenfibrer, med en allmän tjocklek på tiotals millimeter", säger Zhang Zhuomin, Dr. Yangs Ph.D. student och uppsatsens första författare. "Enligt vår forskning är det svårt att uppvisa piezoelektricitet på den makroskopiska tjockleksnivån i millimeter, eftersom dess inneboende piezoelektriska effekt skulle upphävas inom skikten. Därför detekteras endast svag eller till och med ingen piezoelektricitet på makroskopisk nivå. Vi upptäckte att att göra tunntarmens submucosa tunnare kunde övervinna problemet med avstängning och "återställa" piezoelektricitet. Detta fick oss att utveckla den föreslagna van der Waals exfolieringsmetoden (vdWE) för att tillverka ultratunn film från tunntarmens submucosa."

Piezoelektricitet "återhämtar sig" i ultratunn status

Ett av de genombrott som teamet har uppnått i denna forskning är den föreslagna van der Waals exfolieringsteknik, en enkel metod för att tillverka biopiezoelektrisk ultratunn film. Inspirerad av bearbetningsmetoden för tvådimensionella material som grafen, använde teamet den svaga van der Waals-kraften mellan skikten för att tillverka en- eller flerskikts ultratunn film av tunntarmens submucosa. Den ultratunna filmen som produceras med denna upprepade skalningsmetod kan nå en tjocklek på 100 nm, vilket är nästan 800 gånger tunnare än det för det icke-exfolierade originalmaterialet.

Med hjälp av förberedd ultratunn film från tunntarmen utförde teamet en kvantitativ studie som undersökte den biologiska piezoelektriciteten och fastställde ursprunget till dess biologiska piezoelektricitet.

"Filmerna uppvisade en ökning av den effektiva piezoelektriska koefficienten med en minskning av filmtjockleken, upp till en mättad nivå på cirka 3,3 pm/V", säger Dr. Yang. "Baserat på vår vdWE-teknik ökar piezoresponsen hos de ultratunna filmerna med mer än 20 gånger jämfört med de icke-exfolierade originalfilmerna. Eftersom problemet med upphävande av piezoelektricitet övervinns i den ultratunna filmen, kan vi detektera piezoelektricitet, vilket gör tillämpning av piezoelektriska biologiska vävnader möjlig."

Forskargruppen designade också en biosensor för att verifiera den praktiska tillämpningen av piezoelektricitet i den ultratunna filmen av submucosa i tunntarmen. Teamet fann att dess naturliga biokompatibilitet, flexibilitet och piezoelektricitet gör det till ett lovande och ekologiskt vänligt material för elektromekaniska mikroenheter i implanterbar och bärbar elektronik. Den vdWE-teknik som teamet föreslog är lättillgänglig och miljövänlig och kan även appliceras på olika biologiska mjukvävnadsmaterial med van der Waals skiktade strukturer, såsom fiskblåsor och koakillessenor. + Utforska vidare

Ett möjligt paradigmskifte inom piezoelektricitet