Een nieuwe nanotechnologie-ontwikkeling door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv zal het mogelijk maken om elektrische stromen en spanning in het menselijk lichaam te genereren door de activering van verschillende organen (mechanische kracht). De onderzoekers leggen uit dat de ontwikkeling een nieuw en zeer sterk biologisch materiaal betreft, gelijk aan collageen, die niet giftig is en geen schade toebrengt aan de lichaamsweefsels. De onderzoekers zijn van mening dat deze nieuwe nanotechnologie veel potentiële toepassingen heeft in de geneeskunde, inclusief het oogsten van schone energie om apparaten die in het lichaam zijn geïmplanteerd (zoals pacemakers) te bedienen via de natuurlijke bewegingen van het lichaam, waardoor batterijen niet meer nodig zijn.

De studie werd geleid door Prof. Ehud Gazit van de Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research aan de Wise Faculty of Life Sciences, het Department of Materials Science and Engineering aan de Fleischman Faculty of Engineering en het Centre for Nanoscience and Nanotechnology, samen met zijn laboratoriumteam, Dr. Santu Bera en Dr. Wei Ji.

Aan het onderzoek namen ook onderzoekers deel van het Weizmann Institute en een aantal onderzoeksinstituten in Ierland, China en Australië. Als gevolg van hun bevindingen, de onderzoekers ontvingen twee ERC-POC-beurzen om het wetenschappelijk onderzoek uit de ERC-beurs te benutten dat Gazit eerder had gewonnen voor toegepaste technologie. Het onderzoek is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie .

Prof. Gazit, die tevens stichtend directeur is van het Blavatnik Center for Drug Discovery, legt uit:"Collageen is het meest voorkomende eiwit in het menselijk lichaam, die ongeveer 30% van alle eiwitten in ons lichaam vormen. Het is een biologisch materiaal met een spiraalvormige structuur en een verscheidenheid aan belangrijke fysische eigenschappen, zoals mechanische sterkte en flexibiliteit, die in veel toepassingen nuttig zijn. Echter, omdat het collageenmolecuul zelf groot en complex is, onderzoekers zijn al lang op zoek naar een minimalistische, korte en eenvoudige molecule die is gebaseerd op collageen en vergelijkbare eigenschappen vertoont. Ongeveer anderhalf jaar geleden, in het journaal Natuurmaterialen , onze groep publiceerde een onderzoek waarin we met nanotechnologische middelen een nieuw biologisch materiaal hebben ontwikkeld dat aan deze eisen voldoet. Het is een tripeptide - een zeer korte molecule genaamd Hyp-Phe-Phe die uit slechts drie aminozuren bestaat - in staat tot een eenvoudig proces van zelfassemblage om een ​​collageenachtige spiraalvormige structuur te vormen die flexibel is en een sterkte heeft die vergelijkbaar is met die van het metaal titanium. In de huidige studie, we wilden onderzoeken of het nieuwe materiaal dat we ontwikkelden een ander kenmerk heeft dat collageen kenmerkt:piëzo-elektriciteit. Piëzo-elektriciteit is het vermogen van een materiaal om elektrische stromen en spanning te genereren als gevolg van de toepassing van mechanische kracht, of vice versa, om een ​​mechanische kracht te creëren als gevolg van blootstelling aan een elektrisch veld."

In de studie, de onderzoekers creëerden nanometrische structuren van het gemanipuleerde materiaal, en met behulp van geavanceerde nanotechnologietools, mechanische druk op hen uitoefende. Uit het experiment bleek dat het materiaal inderdaad elektrische stromen en spanning produceert als gevolg van de druk. Bovendien, kleine structuren van slechts honderden nanometers toonden een van de hoogste niveaus van piëzo-elektrisch vermogen ooit ontdekt, vergelijkbaar met of superieur aan die van de piëzo-elektrische materialen die tegenwoordig vaak op de markt worden gevonden (waarvan de meeste lood bevatten en daarom niet geschikt zijn voor medische toepassingen).

Volgens de onderzoekers is de ontdekking van piëzo-elektriciteit van deze omvang in een nanometrisch materiaal is van groot belang, omdat het het vermogen van het geconstrueerde materiaal aantoont om te dienen als een soort kleine motor voor zeer kleine apparaten. Volgende, de onderzoekers zijn van plan kristallografie en computationele kwantummechanische methoden (density functional theory) toe te passen om een ​​diepgaand begrip te krijgen van het piëzo-elektrische gedrag van het materiaal en daardoor de nauwkeurige engineering van kristallen voor de bouw van biomedische apparaten mogelijk te maken.

Prof. Gazit voegt toe:"De meeste piëzo-elektrische materialen die we tegenwoordig kennen, zijn giftige, op lood gebaseerde materialen, of polymeren, wat betekent dat ze niet milieuvriendelijk en mensvriendelijk zijn. Ons nieuwe materiaal, echter, is volledig biologisch, en daarom geschikt voor gebruik in het lichaam. Bijvoorbeeld, een apparaat dat van dit materiaal is gemaakt, kan een batterij vervangen die energie levert aan implantaten zoals pacemakers, hoewel het van tijd tot tijd moet worden vervangen. Lichaamsbewegingen, zoals hartslagen, kaak bewegingen, stoelgang, of enige andere beweging die regelmatig in het lichaam plaatsvindt, laadt het apparaat op met elektriciteit, die het implantaat continu zal activeren."

Nutsvoorzieningen, als onderdeel van hun voortdurende onderzoek, de onderzoekers proberen de moleculaire mechanismen van het gemanipuleerde materiaal te begrijpen met als doel het immense potentieel ervan te realiseren en deze wetenschappelijke ontdekking om te zetten in toegepaste technologie. In dit stadium, de focus ligt op de ontwikkeling van medische hulpmiddelen, maar Prof. Gazit benadrukt dat "milieuvriendelijke piëzo-elektrische materialen, zoals degene die we hebben ontwikkeld, hebben een enorm potentieel op tal van gebieden omdat ze groene energie produceren met mechanische kracht die toch al wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, een auto die door de straat rijdt, kan de straatverlichting aandoen. Deze materialen kunnen ook loodhoudende piëzo-elektrische materialen vervangen die momenteel wijdverbreid worden gebruikt, maar dat geeft aanleiding tot bezorgdheid over de lekkage van giftig metaal in het milieu."