En ny nanoteknologisk utveckling av en internationell forskargrupp ledd av forskare från Tel Aviv University kommer att göra det möjligt att generera elektriska strömmar och spänning i människokroppen genom aktivering av olika organ (mekanisk kraft). Forskarna förklarar att utvecklingen involverar ett nytt och mycket starkt biologiskt material, liknar kollagen, som är giftfritt och inte skadar kroppens vävnader. Forskarna tror att denna nya nanoteknik har många potentiella tillämpningar inom medicin, inklusive att skörda ren energi för att styra enheter som implanterats i kroppen (som pacemakers) genom kroppens naturliga rörelser, eliminerar behovet av batterier.

Studien leddes av prof. Ehud Gazit från Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research vid Wise Faculty of Life Sciences, Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Fleischmans tekniska fakultet och Centrum för nanovetenskap och nanoteknik, tillsammans med sitt labbteam, Dr Santu Bera och Dr Wei Ji.

I studien deltog också forskare från Weizmann Institute och ett antal forskningsinstitut i Irland, Kina och Australien. Som ett resultat av deras upptäckter, forskarna fick två ERC-POC-anslag som syftade till att använda den vetenskapliga forskningen från ERC-anslaget som Gazit tidigare vunnit för tillämpad teknik. Forskningen publicerades i den prestigefyllda tidskriften Naturkommunikation .

Prof. Gazit, som också är grundare av Blavatnik Center for Drug Discovery, förklarar:"Kollagen är det vanligaste proteinet i människokroppen, utgör cirka 30 % av alla proteiner i vår kropp. Det är ett biologiskt material med en spiralformad struktur och en mängd viktiga fysikaliska egenskaper, såsom mekanisk styrka och flexibilitet, som är användbara i många applikationer. Dock, eftersom själva kollagenmolekylen är stor och komplex, forskare har länge letat efter en minimalistisk, kort och enkel molekyl som är baserad på kollagen och uppvisar liknande egenskaper. För ungefär ett och ett halvt år sedan, i journalen Naturmaterial , vår grupp publicerade en studie där vi använde nanoteknologiska metoder för att konstruera ett nytt biologiskt material som uppfyller dessa krav. Det är en tripeptid – en mycket kort molekyl som kallas Hyp-Phe-Phe som består av endast tre aminosyror – som kan utföra en enkel process för självmontering för att bilda en kollagenliknande spiralstruktur som är flexibel och har en styrka som liknar den hos metallen titan. I föreliggande studie, vi försökte undersöka om det nya materialet vi utvecklade har en annan egenskap som kännetecknar kollagen – piezoelektricitet. Piezoelektricitet är förmågan hos ett material att generera elektriska strömmar och spänning som ett resultat av applicering av mekanisk kraft, eller tvärtom, att skapa en mekanisk kraft som ett resultat av exponering för ett elektriskt fält."

I studien, forskarna skapade nanometriska strukturer av det konstruerade materialet, och med hjälp av avancerade nanoteknologiska verktyg, applicerade mekaniskt tryck på dem. Experimentet visade att materialet verkligen producerar elektriska strömmar och spänning som ett resultat av trycket. Dessutom, små strukturer på bara hundratals nanometer visade en av de högsta nivåerna av piezoelektrisk förmåga som någonsin upptäckts, jämförbar med eller överlägsen den hos de piezoelektriska material som vanligtvis finns på dagens marknad (varav de flesta innehåller bly och är därför inte lämpliga för medicinska tillämpningar).

Enligt forskarna, upptäckten av piezoelektricitet av denna storlek i ett nanometriskt material är av stor betydelse, eftersom det visar det konstruerade materialets förmåga att fungera som en sorts liten motor för mycket små enheter. Nästa, forskarna planerar att tillämpa kristallografi och beräkningskvantmekaniska metoder (densitetsfunktionsteori) för att få en fördjupad förståelse av materialets piezoelektriska beteende och därigenom möjliggöra noggrann ingenjörskonst av kristaller för konstruktion av biomedicinska apparater.

Prof. Gazit tillägger:"De flesta av de piezoelektriska material som vi känner till idag är giftiga blybaserade material, eller polymerer, vilket betyder att de inte är miljövänliga och människokroppsvänliga. Vårt nya material, dock, är helt biologiskt, och därför lämplig för användning i kroppen. Till exempel, en enhet gjord av detta material kan ersätta ett batteri som levererar energi till implantat som pacemakers, även om den bör bytas ut då och då. Kroppsrörelser - som hjärtslag, käkrörelser, tarmrörelser, eller någon annan rörelse som sker i kroppen regelbundet – laddar enheten med elektricitet, som kontinuerligt kommer att aktivera implantatet."

Nu, som en del av deras fortsatta forskning, forskarna försöker förstå de molekylära mekanismerna hos det konstruerade materialet med målet att förverkliga dess enorma potential och omvandla denna vetenskapliga upptäckt till tillämpad teknologi. I detta skede, fokus ligger på utveckling av medicintekniska produkter, men Prof. Gazit betonar att "miljövänliga piezoelektriska material, som den vi har utvecklat, har en enorm potential inom en lång rad områden eftersom de producerar grön energi med hjälp av mekanisk kraft som ändå används. Till exempel, en bil som kör nerför gatan kan tända gatlyktorna. Dessa material kan också ersätta blyhaltiga piezoelektriska material som för närvarande är i utbredd användning, men det väcker oro för läckage av giftig metall till miljön."