Wissenschaftler erfinden neue resorbierbare Biomaterialien für implantierbare medizinische Geräte

Aug 31, 2023

Dialog vom 10. August 2023

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von Zhuomin Zhang

Was wäre, wenn wir winzige Geräte in unserem Körper hätten, die beschädigte Arterien ständig überwachen, die Knochenregeneration und Wundheilung beschleunigen oder die Medikamentenabgabe zur Krebsbehandlung erleichtern könnten? Dies könnte bemerkenswerte Möglichkeiten für die Behandlung menschlicher Krankheiten und die Erweiterung unserer Fähigkeiten über die Grenzen der Biologie hinaus eröffnen.

Zur Herstellung dieser Geräte können piezoelektrische Biomaterialien verwendet werden, die durch die mechanische Belastung, die durch Körperbewegungen wie Muskeldehnung, Atmung, Blutfluss und kleine Bewegungen entsteht, elektrische Signale erzeugen können. Sie benötigen keine Batterien und sind so konzipiert, dass sie sich sicher im Körper auflösen, sobald sie ihren Zweck erfüllt haben.

Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2021 wurde an die Wissenschaftler David Julius und Ardem Patapoutian verliehen, die das Geheimnis der menschlichen Empfindung von Berührung und Schmerz gelöst haben. Sie bestätigten, dass Zellen durch die elektromechanischen Kopplungseffekte der Proteine ​​Piezo 1 und Piezo 2 Druck wahrnehmen und Berührungsempfindungen hervorrufen. Wir sind von dieser großartigen Entdeckung inspiriert und haben über neue wissenschaftliche Fortschritte auf dem Gebiet der piezoelektrischen Biomaterialien nachgedacht sie zu realen Anwendungen zu bewegen.

Derzeit sind die meisten piezoelektrischen Materialien starr und spröde, und einige von ihnen enthalten sogar giftige Stoffe, was sie für die Implantation in den menschlichen Körper ungeeignet macht. Piezoelektrische Biomaterialien sind vielversprechende Alternativen, da sie von Natur aus Biokompatibilität, Zuverlässigkeit und Resorbierbarkeit aufweisen.

Allerdings ist die piezoelektrische Stärke natürlicher piezoelektrischer Biomaterialien wie Knochen und Holz aufgrund der ungeordneten Ausrichtung schwach. Dies macht sie für reale Anwendungen ungeeignet. Daher ist es äußerst wichtig, Ordnung in piezoelektrischen Biomaterialien zu schaffen und ihren piezoelektrischen Effekt zu verbessern. Allerdings hat sich die Manipulation von Biomolekülen im großen Maßstab mit der für eine korrekte Funktion erforderlichen ausgerichteten Ausrichtung als Herausforderung erwiesen.

Hier haben wir eine verallgemeinerbare Strategie vorgestellt, die es Biomolekülen ermöglicht, sich über eine große Fläche mit der gleichen Ausrichtung durch synergistische Nanobeschränkung und ein elektrisches In-situ-Feld selbst anzuordnen. Die biomolekularen Filme weisen eine dichte, kompakte Struktur mit gleichmäßig hoher piezoelektrischer Stärke auf, die den meisten berichteten bioorganischen Filmen überlegen ist.

Darüber hinaus wurde aufgrund des Nanoconfinement-Effekts die Thermostabilität dieser nanokristallinen Filme im Vergleich zu ihren Massenkristallen erheblich verbessert (die Versagenstemperatur wurde von 67 °C auf 192 °C erhöht).

Tatsächlich hatten wir bereits 2022 in Advanced Materials eine Studie über biopiezoelektrische Gewebe mit dem Titel „van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films“ veröffentlicht. In dieser Arbeit haben wir systematisch die Biopiezoelektrizität der Van-der-Waals-geschichteten Dünndarm-Submukosa (SIS) untersucht.

Zum ersten Mal haben wir die inhärente Piezoelektrizität von SIS mithilfe der fortschrittlichen Piezoresponse-Force-Mikroskopie (PFM) quantitativ bestimmt und den Ursprung seiner Biopiezoelektrizität aufgedeckt. Wir haben einen Van-der-Waals-Peelingprozess (vdWE) vorgeschlagen, der schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen in geschichteten weichen biologischen Geweben nutzt, um durch einfaches mechanisches Peeling ultradünne Filme (100 nm) mit effektiven piezoelektrischen Domänen herzustellen.

Allerdings ist die Piezoelektrizität des ultradünnen Weichgewebefilms im Vergleich zu den derzeit weit verbreiteten anorganischen Keramiken und organischen Polymeren immer noch zu gering. Da die piezoelektrische Richtung in der Ebene liegt, sind ihre Anwendungsszenarien stark eingeschränkt.

Daher haben wir darüber nachgedacht, ob leistungsstarke piezoelektrische Biomaterialien durch vollständig kontrollierbare Montage auf molekularer Ebene hergestellt werden können. Das ist eine große Herausforderung. Wir haben verschiedene Herstellungsmethoden und Biomaterialien ausprobiert, konnten aber erst bei einem Zufallsversuch Ende 2021 die gewünschten Ergebnisse erzielen.

Während einer Diskussion dachten wir, dass es möglich sein könnte, zu versuchen, Biomaterialien mithilfe der kürzlich gebauten elektrohydrodynamischen Sprühabscheidungsplattform herzustellen. Wir dachten, dass das elektrische Feld vor Ort während des Vorbereitungsprozesses möglicherweise einige überraschende Auswirkungen haben könnte. Nachdem wir den Aminosäurefilm vorbereitet hatten, testeten wir ihn sofort mit dem modernsten PFM. Wir waren überrascht zu beobachten, dass der vorbereitete Aminosäurefilm eine hohe piezoelektrische Reaktion im Nanomaßstab zeigte, während der abgeschiedene Film dicht und gleichmäßig war.

Zu diesem Zeitpunkt wussten wir jedoch noch nicht, warum das Material eine so hohe Piezoreaktion zeigte, ob es auf der Makroskala eine ausgerichtete Ausrichtung hatte und welchen Mechanismus seiner Selbstorganisation zugrunde lag. Bei der anschließenden Materialcharakterisierung waren wir überrascht, dass der dünne Film nicht die kristalline γ-Glycin-Phase, sondern eine vollständig β-Phase aufwies.

Allerdings galt β-Glycin seit jeher als die am schwierigsten zu bildende Form unter den drei Kristallformen von Glycin und als die instabilsten Umweltbedingungen. Nach mehrstündiger Lagerung in feuchter Luft oder Erhitzen auf 67 °C wandelt es sich schnell in nicht-piezoelektrisches α-Glycin um. Nach unzähligen Tagen und Nächten des Experimentierens und Erkundens haben wir diese schwierigen Probleme endlich gelöst.

Wir haben zum ersten Mal eine aktive Selbstorganisationsstrategie zur Herstellung leistungsstarker piezoelektrischer Biomaterialfilme durch synergistische Nanobeschränkung und In-situ-Polung vorgestellt. Die durch Nanobeschränkung induzierte homogene Keimbildung überwindet die Grenzflächenabhängigkeit und ermöglicht es dem in situ angelegten elektrischen Feld, Kristallkörner über den gesamten Film auszurichten. Die nanokristallinen β-Glycin-Filme werden auf Basis eines bioorganischen Filmdruckers unter Verwendung der elektrohydrodynamischen Sprühmethode hergestellt.

Anschließend haben wir den möglichen Keimbildungs- und Kristallisationsprozess wie folgt vorgeschlagen. Die β-Glycin-Nanokristalle werden aufgrund der geringen Größe und der substratfreien Eigenschaft fliegender Nano-Mikrotröpfchen durch homogene Keimbildung gebildet. Da die homogene Keimbildung nicht durch Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen beeinflusst wird, ist es möglich, den Kristallisationsprozess durch Anlegen externer elektrischer Felder zu manipulieren, die auch als Polungsprozess dienen.

Das elektrische In-situ-Feld im Kristallwachstumsprozess induziert die Domänenausrichtung von β-Glycin-Nanokristallen, was darauf hindeutet, dass die Nettopolarisationsrichtung [020] parallel zum elektrischen Feld verläuft.

Unsere neuartigen piezoelektrischen biomolekularen Filme können schließlich in leistungsstarken biologischen elektromechanischen Mikrogeräten und transienten Bioelektronikgeräten eingesetzt werden, wie etwa implantierbaren Biosensoren, bioresorbierbaren drahtlosen In-vivo-Ladenetzteilen, Smart Chips und der biomedizinischen Technik.

Unsere nächste Arbeit wird sich auf drei Aspekte konzentrieren: Verbesserung der Flexibilität des Films, um ihn an den Modul von biologischem Gewebe anzupassen; kostengünstige Massenproduktion bioabsorbierbarer piezoelektrischer Dünnfilme; Wir bewerben unsere Produkte für reale biomedizinische Anwendungen, die den Menschen zugute kommen. Die aktuelle Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Mehr Informationen: Zhuomin Zhang et al., Aktive Selbstorganisation piezoelektrischer biomolekularer Filme durch synergistische Nanobeschränkung und In-situ-Polung, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39692-y

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Materialien, Naturkommunikation

Biografie: Ich bin jetzt Ph.D. Kandidat für Maschinenbau an der City University of Hong Kong (CityU) und Gaststudent an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST). Meine Forschungsinteressen umfassen: Piezoelektrisch/Ferroelektrisch; Biomaterialien; Flexible Elektronik und Soft-Robotik; Selbstmontage; Biomedizintechnik; MEMS; Sensoren; Energiegewinnung; und Ultraschallwandler.