Разработан метод самосборки пьезоэлектрических биоматериалов для медицинских устройств

Исследовательская группа под руководством Гонконгского университета науки и технологии разработала новую методику самосборки тонкого слоя аминокислот с упорядоченной ориентацией на большой площади, который демонстрирует высокую пьезоэлектрическую прочность.

Это делает возможным изготовление в ближайшем будущем биосовместимых и биоразлагаемых медицинских микроустройств, таких как кардиостимуляторы и имплантируемые биосенсоры.

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

В настоящее время большинство пьезоэлектрических материалов являются жесткими, хрупкими, а некоторые из них даже содержат токсичные вещества, такие как свинец и кварц, что делает их непригодными для имплантации в человеческое тело. Пьезоэлектрические биоматериалы, такие как аминокислоты, являются перспективной альтернативой, поскольку они обладают естественной биосовместимостью, надежностью и устойчивостью. Однако манипулирование биомолекулами в масштабе с выверенной ориентацией для правильного функционирования оказалось сложным и остается международной научной проблемой на протяжении 80 лет.

Решая эту давнюю проблему, группа специалистов под руководством профессора Чжэнбао Янга, доцента кафедры машиностроения и аэрокосмической техники HKUST, недавно разработала стратегию активной самосборки тонких пьезоэлектрических биоматериалов с помощью синергетического наноконфигурирования и полировки in-situ. Это позволяет биомолекулам самособираться на очень большой площади с одинаковой ориентацией. Что еще более важно, на основе этой новой методики специалисты обнаружили, что пленки одной из аминокислот, β-глицина, демонстрируют повышенный коэффициент пьезоэлектрической деформации 11,2pmV^-1, что является самым высоким показателем по сравнению с другими биомолекулярными пленками.

Самособирающиеся пьезоэлектрические биомолекулярные пленки способны генерировать электрические сигналы от механических напряжений, возникающих при растяжении мышц, дыхании, кровотоке и небольших движениях тела. При этом они не требуют батареек, а просто растворяются в организме по завершении своей работы.

Профессор Янг отметил:

Наше исследование показало равномерно высокий пьезоэлектрический отклик и отличную термостабильность всей пленки β-глицина. Отличные выходные характеристики, естественная биосовместимость и биоразлагаемость нанокристаллических пленок β-глицина имеют практическое значение для высокопроизводительных переходных биологических электромеханических приложений, таких как имплантируемый биосенсор, беспроводной источник питания для биорезорбируемой электроники, смарт-чип и других биомедицинских инженерных целей.

Команда будет продолжать исследовать способы улучшения гибкости пленки, чтобы она соответствовала биологическим тканям, и добиваться недорогого массового производства биорезорбируемых пьезоэлектрических пленок. Кроме того, планируется провести эксперименты на животных, чтобы продемонстрировать возможности применения биомедицинских материалов in vivo.

Данное исследование является совместной работой с Городским университетом Гонконга и Университетом Вуллонгонга (Австралия). Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

10.08.2023