Piëzo-elektrische materialen zijn toepasbaar in het biomedische veld, en als ze biocompatibel en afbreekbaar kunnen zijn, zal het een grote stap zijn naar echte toepassingen. Onlangs heeft een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong (CityU) een eenvoudige exfoliatiemethode ontwikkeld om ultradunne films van dunne darmweefsels van schapen te maken. Er wordt aangenomen dat dit biologische weefsel geen piëzo-elektrische eigenschappen heeft op macroschaal, maar het CityU-onderzoeksteam ontdekte dat als het materiaal ultradun is, het piëzo-elektriciteit kan vertonen. Met zijn natuurlijke biocompatibiliteit gelooft het team dat dergelijk piëzo-elektrisch biomateriaal waarschijnlijk kan worden gebruikt in verschillende biomedische toepassingen, zoals sensoren en slimme chips.

Het onderzoek werd geleid door dr. Yang Zhengbao, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde (MNE). Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials , onder de titel "Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films."

Potentiële toepassing van piëzo-elektrische biomaterialen in de biomedische sector

Piëzo-elektriciteit is elektriciteit die ontstaat door het uitoefenen van druk. Piëzo-elektrische biomaterialen hebben een potentieel effect van piëzo-elektriciteit op biologische weefsels, zoals het vergemakkelijken van weefselherstel en botregeneratie, en kunnen ook worden toegepast in implanteerbare sensoren en actuatoren. Vanwege de hoge kosten en technologische beperkingen blijft het meeste onderzoek naar piëzo-elektriciteit op biologische weefsels echter theoretisch.

De Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde 2021 werd toegekend aan wetenschappers David Julius en Ardem Patapoutian, die het mysterie van de menselijke gewaarwording van aanraking en pijn hebben opgelost. Ze verifieerden dat cellen druk voelen en het gevoel van aanraking opwekken door de elektromechanische koppelingseffecten van de eiwitten Piezo 1 en Piezo 2. In feite is het piëzo-elektrische effect een soort elektromechanisch koppelingseffect, dat veel voorkomt in piëzo-elektrische biologische weefsels, zoals botten, wol, pezen en de opperhuid.

Aan de andere kant is de submucosa van de dunne darm (SIS), een laag van dunne darmweefsels die de mucosa ondersteunt en verbindt met de spierlaag, uitgebreid onderzocht. Dankzij de biocompatibiliteit en het ontbreken van nadelige reacties bij transplantaties tussen soorten, heeft submucosa in de dunne darm een ​​groot potentieel voor biomedische toepassingen en wordt het vaak gebruikt als een "steiger" voor het repareren van weefsels zoals pezen. Maar heeft de submucosa van de dunne darm een ​​piëzo-elektrisch effect?

"In de jaren zestig observeerde de beroemde Japanse wetenschapper Eiichi Fukada een direct maar zwak piëzo-elektrisch effect in de darmen op macroscopisch niveau," zei Dr. Yang. "Vanwege de toenmalige technologische beperkingen van meetapparatuur kon kwantitatieve bepaling van het intrinsieke piëzo-elektrische effect echter niet worden aangetoond. Dus de reden voor zijn biologische piëzo-elektriciteit bleef een mysterie."

Sleutel tot het genereren van het piëzo-elektrische effect

Voordat het submucosamateriaal van de dunne darm daadwerkelijk wordt toegepast in de medische techniek, is het noodzakelijk om te verifiëren of het een piëzo-elektrisch effect kan genereren en kwantitatief kan worden gemeten. Om deze twee belangrijke problemen aan te pakken, onderzochten Dr. Yang en zijn team systematisch de structuur van de submucosa van de dunne darm van schapen en de biologische piëzo-elektriciteit ervan. Uiteindelijk heeft het team voor het eerst het intrinsieke piëzo-elektrische effect van de submucosa van de dunne darm kwantitatief gemeten. Na verschillende meetrondes onthulde het team dat de sleutel tot het genereren van het piëzo-elektrische effect in de submucosa van de dunne darm lag in de hiërarchische structuur van de collageenvezels.

"We ontdekten dat het submucosa van de dunne darm van nature wordt gevormd met honderden lagen collageenvezels, met een algemene dikte van tientallen millimeters", zegt Zhang Zhuomin, Dr. Yang's Ph.D. student en de eerste auteur van de paper. "Volgens ons onderzoek is het moeilijk om piëzo-elektriciteit op macroscopisch niveau van dikte in millimeters te vertonen, omdat het intrinsieke piëzo-elektrische effect binnen de lagen zou worden opgeheven. Daarom wordt op macroscopisch niveau alleen zwakke of zelfs geen piëzo-elektriciteit gedetecteerd. ontdekte dat het dunner maken van het submucosa van de dunne darm het probleem van de annulering en het 'herstel' van piëzo-elektriciteit zou kunnen oplossen. Dit bracht ons ertoe de voorgestelde van der Waals-exfoliatiemethode (vdWE) te ontwikkelen om ultradunne film van submucosa van de dunne darm te fabriceren."

Piëzo-elektriciteit 'herstelt' in ultradunne toestand

Een van de doorbraken die het team in dit onderzoek heeft bereikt, is de voorgestelde van der Waals-exfoliatietechniek, een eenvoudige methode om biopiëzo-elektrische ultradunne film te fabriceren. Geïnspireerd door de verwerkingsmethode van tweedimensionale materialen zoals grafeen, maakte het team gebruik van de zwakke van der Waals-kracht tussen de lagen om een ​​enkelvoudige of meerlagige ultradunne film van het submucosa van de dunne darm te fabriceren. De ultradunne film die door deze herhaalde afpelmethode wordt geproduceerd, kan een dikte van 100 nm bereiken, wat bijna 800 keer dunner is dan die van het niet-geëxfolieerde originele materiaal.

Met behulp van geprepareerde dunne darm submucosa ultradunne film, voerde het team een ​​kwantitatief onderzoek uit om de biologische piëzo-elektriciteit te onderzoeken en de oorsprong van zijn biologische piëzo-elektriciteit te bepalen.

"De films vertoonden een toename van de effectieve piëzo-elektrische coëfficiënt met een afname van de filmdikte, tot een verzadigd niveau van ongeveer 3,3 pm/V," zei Dr. Yang. "Op basis van onze vdWE-techniek wordt de piëzorespons van de ultradunne films meer dan 20 keer verhoogd in vergelijking met de niet-geëxfolieerde originele films. Omdat het probleem van de annulering van piëzo-elektriciteit in de ultradunne film wordt overwonnen, kunnen we piëzo-elektriciteit detecteren, waardoor de toepassing van piëzo-elektrische biologische weefsels mogelijk."

Het onderzoeksteam ontwierp ook een biosensor om de praktische toepassing van piëzo-elektriciteit in de ultradunne film van de submucosa van de dunne darm te verifiëren. Het team ontdekte dat de natuurlijke biocompatibiliteit, flexibiliteit en piëzo-elektriciteit het een veelbelovend en milieuvriendelijk materiaal maken voor elektromechanische microdevices in implanteerbare en draagbare elektronica. De vdWE-techniek die het team voorstelde is gemakkelijk en milieuvriendelijk, en kan ook worden toegepast op verschillende biologische weke delen met van der Waals gelaagde structuren, zoals vissenblazen en achillespezen van koeien. + Verder verkennen

Een mogelijke paradigmaverschuiving binnen piëzo-elektriciteit