I ricercatori HKUST sono pionieri della tecnica per sé

Sep 01, 2023

Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong

immagine: Fabbricazione di film nanocristallini di β-glicina piezoelettrici e meccanismo di autoassemblaggio attivo tramite nanoconfinamento sinergico e poling in situ.vedere di più

Credito: HKUST

Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) ha sviluppato una nuova tecnica per autoassemblare un sottile strato di amminoacidi con orientamento ordinato su un'ampia area che dimostra un'elevata forza piezoelettrica, rendendo la produzione di materiali biocompatibili e microdispositivi medici biodegradabili, come pacemaker e biosensori impiantabili, saranno possibili nel prossimo futuro.

La generazione di bioelettricità dall’effetto piezoelettrico – conversione reversibile tra energia meccanica ed elettrica – ha un significato fisiologico nei sistemi viventi. Le cariche piezoelettriche generate dalla tibia umana durante la deambulazione stimolano il rimodellamento e la crescita ossea. Inoltre, il potenziale piezoelettrico nei polmoni generato durante la respirazione potrebbe aiutare a legare l’ossigeno all’emoglobina.

Attualmente, la maggior parte dei materiali piezoelettrici sono rigidi, fragili e alcuni contengono addirittura materiali tossici come piombo e quarzo, che li rendono inadatti all’impianto nel corpo umano. I biomateriali piezoelettrici come gli amminoacidi sono alternative promettenti poiché mostrano naturalmente biocompatibilità, affidabilità e sostenibilità. Tuttavia, la manipolazione delle biomolecole su larga scala con un orientamento allineato per il corretto funzionamento si è rivelata difficile ed è rimasta una sfida accademica internazionale per 80 anni.

Affrontando la sfida di lunga data, un team guidato dal Prof. Zhengbao YANG, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'HKUST, ha recentemente sviluppato una strategia attiva di autoassemblaggio per personalizzare film sottili di biomateriali piezoelettrici tramite nanoconfinamento sinergico e in-situ polarizzazione (vedi figura). Consente alle biomolecole di autoassemblarsi su un'area molto ampia con lo stesso orientamento. Ancora più importante, sulla base di questa nuova tecnica, il team ha scoperto che i film di un tipo di amminoacido, la β-glicina, mostrano un coefficiente di deformazione piezoelettrica migliorato di 11,2 pmV−1, che è il più alto rispetto agli altri film biomolecolari.

I loro film biomolecolari piezoelettrici autoassemblati sono in grado di produrre segnali elettrici dallo stress meccanico prodotto dallo stiramento muscolare, dalla respirazione, dal flusso sanguigno e da piccoli movimenti del corpo. Non essendo necessarie batterie, si dissolveranno semplicemente nel corpo una volta completata la loro missione.

Il Prof. Yang ha affermato: “Il nostro studio mostra una risposta piezoelettrica uniformemente elevata e un’eccellente termostabilità attraverso l’intero film di β-glicina. Le eccellenti prestazioni di output, la biocompatibilità naturale e la biodegradabilità dei film nanocristallini di β-glicina hanno implicazioni pratiche per applicazioni elettromeccaniche biologiche transitorie ad alte prestazioni, come biosensori impiantabili, alimentatori di ricarica wireless per componenti elettronici bioriassorbibili, chip intelligenti e altri scopi di ingegneria biomedica. .”

Il team continuerà a esaminare modi per migliorare la flessibilità della pellicola per adattarla ai tessuti biologici e per ottenere una produzione di massa a basso costo delle pellicole piezoelettriche bioriassorbibili. Stanno anche cercando di condurre esperimenti sugli animali, per dimostrare applicazioni biomediche in vivo.

Questo studio è un lavoro di collaborazione con la City University di Hong Kong e l’Università di Wollongong in Australia. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati su Nature Communications.

Natura

10.1038/s41467-023-39692-y

Studio sperimentale

Non applicabile

Autoassemblaggio attivo di film biomolecolari piezoelettrici tramite nanoconfinamento sinergico e polarizzazione in situ

11-lug-2023

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