Биоматериалы для имплантируемых медицинских устройств
Что, если бы в наших телах были крошечные устройства, которые могли бы постоянно контролировать поврежденные артерии, ускорять регенерацию костей и заживление ран или облегчать доставку лекарств для лечения рака? Это могло бы открыть замечательные возможности для лечения болезней человека и расширения наших возможностей за пределами биологии. Пьезоэлектрические биоматериалы, которые могут генерировать электрические сигналы за счет механического напряжения, вызванного движениями тела, такими как растяжение мышц, дыхание, кровоток и небольшие движения, могут быть использованы для создания этих устройств. Им не потребуются батарейки, и они будут спроектированы так, чтобы безопасно растворяться внутри тела после того, как выполнят свою задачу.
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2021 года была присуждена ученым Дэвиду Юлиусу и Ардему Патапутяну, которые разгадали тайну человеческого ощущения прикосновения и боли. Они подтвердили, что клетки чувствуют давление и вызывают ощущение прикосновения благодаря электромеханическим эффектам связи белков Piezo 1 и Piezo 2. Мы вдохновлены этим великим открытием и подумываем о некоторых новых научных достижениях в области пьезоэлектрических биоматериалов и направляя их к реальным приложениям.
Какие проблемы возникают при разработке пьезоэлектрических биоматериалов? В настоящее время большинство пьезоэлектрических материалов являются жесткими и хрупкими, а некоторые из них даже содержат токсичные материалы, что делает их непригодными для имплантации в организм человека. Пьезоэлектрические биоматериалы являются многообещающими альтернативами, поскольку они обладают естественной биосовместимостью, надежностью и резорбируемостью.
Однако пьезоэлектрическая прочность природных пьезоэлектрических биоматериалов, таких как кость и древесина, слаба из-за неупорядоченной ориентации. Это делает их неподготовленными для реальных приложений. Следовательно, наведение порядка в пьезоэлектрических биоматериалах и улучшение их пьезоэлектрического эффекта чрезвычайно важно. Однако манипулирование биомолекулами в масштабе с выровненной ориентацией, необходимой для правильного функционирования, оказалось сложной задачей. Здесь мы представили обобщаемую стратегию, которая позволяет биомолекулам самостоятельно собираться на большой площади с одинаковой ориентацией посредством синергетического наноконфайнмента и электрического поля на месте. Биомолекулярные пленки имеют плотную, компактную структуру с одинаково высокой пьезоэлектрической силой, превосходящей большинство описанных биоорганических пленок.
Кроме того, благодаря эффекту наноограничения термостабильность этих нанокристаллических пленок была значительно улучшена по сравнению с их объемными кристаллами (температура разрушения была повышена с 67°C до 192°C). Фактически, в 2022 году мы уже опубликовали исследование биопьезоэлектрических тканей в Advanced Materials под названием «Ультратонкие пленки биопьезоэлектрической подслизистой оболочки, обработанные ван-дер-ваальсовым отшелушиванием». В данной работе мы систематически изучали биопьезоэлектричество ван-дер-ваальсовой подслизистой оболочки тонкой кишки (SIS). Впервые мы количественно определили присущее SIS пьезоэлектричество с помощью усовершенствованной силовой микроскопии пьезоотклика (PFM) и раскрыли происхождение его биопьезоэлектричества. Мы предложили процесс ван-дер-ваальсова эксфолиации (vdWE) с использованием слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий в многослойных мягких биологических тканях для получения ультратонких пленок (100 нм) с эффективными пьезоэлектрическими доменами посредством простого механического пилинга.
Однако пьезоэлектричество ультратонкой пленки мягких тканей все еще слишком низкое по сравнению с широко используемыми в настоящее время неорганической керамикой и органическими полимерами. Поскольку пьезоэлектрическое направление находится в плоскости, сценарии их применения сильно ограничены.
Бесчисленные попытки и последнее захватывающее открытие Поэтому мы задумались о том, можно ли производить высокоэффективные пьезоэлектрические биоматериалы путем полностью контролируемой сборки на молекулярном уровне. Это большой вызов. Мы пробовали различные методы производства и биоматериалы, но не добились желаемых результатов до случайной попытки в конце 2021 года. Во время обсуждения мы подумали, что можно было бы попробовать приготовить биоматериалы, используя недавно построенную платформу для электрогидродинамического распыления. Мы подумали, что, возможно, электрическое поле на месте во время процесса подготовки может иметь неожиданные эффекты. После изготовления аминокислотной пленки мы сразу же протестировали ее с помощью самого передового PFM. Мы были удивлены, обнаружив, что приготовленная аминокислотная пленка показала высокий пьезоэлектрический отклик в наномасштабе, в то время как осажденная пленка была плотной и однородной.
Однако на тот момент мы еще не знали, почему материал проявляет такой высокий пьезоотклик, имеет ли он выровненную ориентацию на макроуровне и лежащий в основе механизм его самосборки. При последующей характеристике материала мы были удивлены тем, что тонкая пленка демонстрирует не кристаллическую фазу гамма-глицина, а полностью бета-фазу. Однако бета-глицин всегда считался наиболее трудным для образования из трех кристаллических форм глицина и наиболее нестабильным в условиях окружающей среды. После помещения во влажный воздух на несколько часов или нагревания до 67°С он быстро превращается в непьезоэлектрический альфа-глицин. После бесчисленных дней и ночей экспериментов и исследований мы, наконец, решили эти сложные проблемы. Мы впервые представили активную стратегию самосборки для получения высокоэффективных пьезоэлектрических пленок биоматериала посредством синергетического наноконфайнмента и поляризации на месте. Гомогенное зародышеобразование, вызванное наноконфайнментом, преодолевает межфазную зависимость и позволяет электрическому полю, приложенному на месте, выравнивать кристаллические зерна по всей пленке. Нанокристаллические пленки бета-глицина изготавливаются на основе принтера биоорганических пленок методом электрогидродинамического распыления.
Затем мы предложили следующий потенциальный процесс зародышеобразования и кристаллизации. Нанокристаллы бета-глицина образуются путем гомогенного зародышеобразования благодаря небольшому размеру и свойству отсутствия подложки летающих нано-микрокапель. Поскольку на гомогенное зародышеобразование не влияют границы раздела твердое тело-жидкость, можно управлять процессом кристаллизации, применяя внешние электрические поля, которые также служат процессом полировки. Электрическое поле in situ в процессе роста кристаллов индуцирует выравнивание доменов нанокристаллов бета-глицина, предполагая, что общее направление поляризации [020] параллельно электрическому полю. Наши новые пьезоэлектрические биомолекулярные пленки могут в конечном итоге применяться в высокопроизводительных биологических электромеханических микроустройствах и переходной биоэлектронике, таких как имплантируемые биосенсоры, биорезорбируемые источники питания для беспроводной зарядки in vivo, интеллектуальные чипы и биомедицинская инженерия.
Наша следующая работа будет сосредоточена на трех аспектах: улучшение гибкости пленки для соответствия модулю биологической ткани; недорогое массовое производство тонких биорассасывающихся пьезоэлектрических пленок; продвижение нашей продукции в реальных биомедицинских приложениях, приносящих пользу людям. Текущее исследование было опубликовано в Nature Communications. Эта история является частью диалога Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных научных статей. Посетите эту страницу для получения информации о ScienceX Dialog и о том, как принять в нем участие.
