Science：科学家开发出一种新型的压电生物有机晶片 或能利用肌肉动力来实现机体伤口的愈合

2021年8月17日 讯 /生物谷BIOON/ --压电生物材料（Piezoelectric biomaterials）从本质上来讲适合在生物系统中用来耦合机械力和电能，从而实现体内的实时传感、驱动和发电；然而，无法大规模地合成和排列压电相，实现其实际应用对于科学家们而言仍然是一大挑战。近日，一篇发表在国际杂志Science上题为“Wafer-scale heterostructured piezoelectric bio-organic thin films”的研究报告中，来自威斯康星大学麦迪逊分校等机构的科学家们通过研究开发了一种生物兼容的“发电机”，当其被身体运动压缩时就能够产生电脉冲，这种“发电机”由自我组装的“压电晶片”（piezoelectric wafers，能快速廉价地制造）组成，从而就能使得肌肉动力的机电疗法得到广泛地应用。

图片来源：https://science.sciencemag.org/content/373/6552/337

诸如陶瓷和晶体等压电材料具有对机械压力产生电荷的特殊材质，其通常被用于多种设备中，包括超声传感器、振动传感器和手机上；在医学研究领域，使用压电设备进行电刺激如今已经被证明能加速机体伤口和骨折的愈合，并能维持中风患者肌肉的张力及减少慢性疼痛；然而，生物兼容性的缺乏（会导致肌肉僵硬和毒性影响）往往阻碍了这一领域的发展。

如今研究人员通过研究开发出了一种可植入的压电治疗装置，这种薄片般、柔韧的装置能利用非刚性且无毒的生物材料，比如丝状物、胶原蛋白和氨基酸等也都具有压电特性。研究人员开发了一种方法来实现这种小贴片样的构造物能够自组装，其利用赖氨酸作为压电发电机；这种自组装的过程包含了一种生物兼容的聚合物外壳，当聚合物/赖氨酸溶液蒸发时，其能将赖氨酸包围起来。赖氨酸内层和聚合物涂层之间的化学相互作用对于赖氨酸定向为晶体结构，从而使其弯曲时能产生电流至关重要。

左边的压电晶片显示了赖氨酸中间层的晶体结构，而右边的晶片容易弯曲从而达到生物相容性，并能诱导赖氨酸晶体产生电输出；规模：厘米。

图片来源：Fan Yang, et al. Science (2021). DOI:10.1126/science.abf2155

研究者David Rampulla说道，这项研究是利用材料的化学特性来创造自组装产品的一个杰出案例，整个过程快速且廉价，这就使得生产这种用于治疗的晶片成为可能；而晶片是生无可溶解的，这就为创造电疗法来用于加速损伤骨骼和肌肉的愈合提供了一定的可能性。研究人员对压电晶片进行了一系列测试，他们将这种晶片置于大鼠的腿部和胸部，大鼠的腿部运动和胸部运动会压迫压电晶片，从而就能够产生足够的电输出；当移植的晶片在大鼠体内溶解后，对其进行血液检测结果表明，血细胞和其它代谢物的水平正常，这就表明溶解的设备并不会产生任何有害的影响。

研究人员强调了研究过程的简单特性，其能将肌肉运动转化成为潜在的改变游戏规则的治疗性手段，他们相信这种新技术或能提供大量的可能性，包括实时传感、加速伤口和其它类型损伤的愈合，以及利用电刺激来治疗机体疼痛和其它神经性障碍。更重要的是，研究人员开发的这种快速自组装技术能明显降低这类设备的成本，这或许就可能大大扩展这种极具医疗前途的技术的普及和使用。

综上，本文研究结果表明，基于这种特殊晶片的天然兼容性和在生理性环境中的可降解特性，其或有望促进瞬时植入式机电设备的开发，从而改善人类机体伤口的愈合等其它医学用途。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Fan Yang, Jun Lie，Yin Long, et al. Wafer-scale heterostructured piezoelectric bio-organic thin films, Science (2021). DOI:10.1126/science.abf2155