HKUST-Forscher entwickeln Technik für sich selbst

Sep 01, 2023

Universität für Wissenschaft und Technologie Hongkong

Bild: Herstellung von piezoelektrischen nanokristallinen β-Glycin-Filmen und der aktive Selbstorganisationsmechanismus durch synergistische Nanobeschränkung und In-situ-Polung.mehr sehen

Bildnachweis: HKUST

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat eine neuartige Technik entwickelt, um eine dünne Schicht aus Aminosäuren mit geordneter Ausrichtung über eine große Fläche selbst zu organisieren, die eine hohe piezoelektrische Stärke aufweist und die Herstellung von biokompatiblen und biokompatiblen Materialien ermöglicht Biologisch abbaubare medizinische Mikrogeräte wie Herzschrittmacher und implantierbare Biosensoren sind in naher Zukunft möglich.

Die Erzeugung von Bioelektrizität aus dem piezoelektrischen Effekt – der reversiblen Umwandlung zwischen mechanischer und elektrischer Energie – hat in lebenden Systemen physiologische Bedeutung. Piezoelektrische Ladungen, die beim Gehen vom menschlichen Schienbein erzeugt werden, fördern den Knochenumbau und das Knochenwachstum. Außerdem könnte das bei der Atmung erzeugte piezoelektrische Potenzial in der Lunge die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin unterstützen.

Derzeit sind die meisten piezoelektrischen Materialien starr und spröde und einige von ihnen enthalten sogar giftige Stoffe wie Blei und Quarz, was sie für die Implantation in den menschlichen Körper ungeeignet macht. Piezoelektrische Biomaterialien wie Aminosäuren sind vielversprechende Alternativen, da sie von Natur aus Biokompatibilität, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit aufweisen. Allerdings hat sich die Manipulation von Biomolekülen im großen Maßstab mit einer darauf abgestimmten Ausrichtung für eine korrekte Funktion als schwierig erwiesen und blieb 80 Jahre lang eine internationale akademische Herausforderung.

Um die seit langem bestehende Herausforderung anzugehen, hat ein Team unter der Leitung von Prof. Zhengbao YANG, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der HKUST, kürzlich eine aktive Selbstorganisationsstrategie entwickelt, um piezoelektrische Biomaterial-Dünnfilme durch synergistische Nanobeschränkung und In-situ maßgeschneidert anzupassen Polung (siehe Abbildung). Es ermöglicht die Selbstorganisation von Biomolekülen über eine sehr große Fläche mit gleicher Ausrichtung. Noch wichtiger ist, dass das Team anhand dieser neuartigen Technik herausfand, dass Filme aus einer Art Aminosäure, β-Glycin, einen erhöhten piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von 11,2 pmV−1 aufweisen, was im Vergleich zu anderen biomolekularen Filmen der höchste ist.

Ihre selbstorganisierten piezoelektrischen biomolekularen Filme sind in der Lage, elektrische Signale aus mechanischer Belastung zu erzeugen, die durch Muskeldehnung, Atmung, Blutfluss und kleine Körperbewegungen entsteht. Da keine Batterien erforderlich sind, lösen sie sich einfach im Körper auf, wenn ihre Mission erfüllt ist.

Prof. Yang sagte: „Unsere Studie zeigt eine gleichmäßig hohe piezoelektrische Reaktion und eine ausgezeichnete Thermostabilität über die gesamten β-Glycin-Filme hinweg.“ Die hervorragende Ausgangsleistung, die natürliche Biokompatibilität und die biologische Abbaubarkeit der nanokristallinen β-Glycin-Filme sind von praktischer Bedeutung für leistungsstarke transiente biologische elektromechanische Anwendungen wie implantierbare Biosensoren, drahtlose Ladestromversorgungen für bioresorbierbare Elektronik, Smart Chips und andere biomedizinische Technikzwecke .“

Das Team wird weiterhin Möglichkeiten untersuchen, die Flexibilität des Films zu verbessern, damit er sich an biologische Gewebe anpasst, und eine kostengünstige Massenproduktion der bioresorbierbaren piezoelektrischen Filme zu erreichen. Sie wollen auch Tierversuche durchführen, um biomedizinische Anwendungen in vivo zu demonstrieren.

Diese Studie ist eine Gemeinschaftsarbeit mit der City University of Hong Kong und der University of Wollongong in Australien. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.

Natur

10.1038/s41467-023-39692-y

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Aktive Selbstorganisation piezoelektrischer biomolekularer Filme durch synergistische Nanobeschränkung und In-situ-Polung

11. Juli 2023

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