科学家发明用于植入式医疗设备的新型可吸收生物材料

如果我们体内有微型装置，可以持续监测受损动脉、加速骨骼再生和伤口愈合，或促进癌症治疗药物输送，那会怎样？这将为治疗人类疾病和增强我们超越生物学极限的能力开辟巨大的机遇。

压电生物材料可以产生通过肌肉伸展、呼吸、血液流动和小动作等身体运动产生的机械应力，可以用来制造这些设备。它们不需要电池，一旦完成任务，就会安全地溶解在体内。

2021 年诺贝尔生理学或医学奖授予了科学家戴维·朱利叶斯 (David Julius) 和阿德姆·帕塔普蒂安 (Ardem Patapoutian)，他们解开了人类触觉和疼痛感的谜团。他们证实，细胞通过蛋白质 Piezo 1 和 Piezo 2 的机电耦合效应感知压力并引发触觉。我们受到这一伟大发现的启发，一直在思考在压电生物材料领域取得一些新的科学进展，并推动它们走向现实世界的应用。

开发压电生物材料面临哪些挑战？

目前，大多数坚硬而脆，有些甚至含有，因此不适合植入人体。压电生物材料是一种很有前途的替代品，因为它们自然地表现出生物相容性、可靠性和可吸收性。

然而，由于取向无序，骨骼和木材等天然压电生物材料的压电强度较弱。这使得它们不适合实际应用。因此，在压电生物材料中创造秩序并改善其压电效应极其重要。然而，以正确运作所需的对齐取向大规模操纵生物分子已被证明具有挑战性。

在这里，我们提出了一种可推广的策略，使生物分子能够通过协同纳米限制和原位自组装在大面积上以相同的方向自组装。该生物分子薄膜结构致密、紧密，具有均匀较高的压电强度，优于大多数已报道的生物有机薄膜。

此外，由于纳米限制效应，这些纳米晶薄膜的热稳定性与块体晶体相比得到了很大提高（失效温度从67℃提高到192℃）。

本项研究的背后

事实上，到 2022 年，生物压电组织先进材料题为“范德华力剥离处理的生物压电粘膜下层超薄膜”。在这项工作中，我们系统地研究了范德华力分层小肠粘膜下层（SIS）的生物压电性。

我们首次利用先进的压电响应力显微镜 (PFM) 定量测定了 SIS 的固有压电性，并揭示了其生物压电性的起源。我们提出了一种范德华剥离工艺 (vdWE)，利用层状软生物组织中的弱范德华相互作用，通过简单的机械剥离制备具有有效压电域的超薄膜 (100nm)。

但软组织超薄膜的压电性与目前广泛应用的无机陶瓷、有机聚合物相比还是太低，由于压电方向为面内，导致其应用场景受到很大限制。

无数次的尝试和最终令人兴奋的发现

因此我们一直在思考，能否通过分子水平的完全可控组装，制造出高性能的压电生物材料，这是一个巨大的挑战，我们尝试了各种制造方法和生物材料，直到2021年底的一次偶然尝试，才取得了预期的效果。

在一次讨论中，我们想到可以尝试利用最近建成的电流体动力喷雾沉积平台来制备生物材料。我们认为也许制备过程中的原位电场会产生一些意想不到的效果。在制备好氨基酸薄膜后，我们立即使用最先进的PFM对其进行了测试。我们惊讶地发现，制备的氨基酸薄膜在纳米尺度上表现出了很高的压电响应，而沉积的薄膜致密而均匀。

然而，当时我们还不知道该材料为何表现出如此高的压电响应，它是否在宏观尺度上具有对齐的取向，以及其自组装的潜在机制。在随后的材料表征中，我们惊讶地发现薄膜没有表现出γ-甘氨酸结晶相，而是完全的β相。

然而，β-甘氨酸一直被认为是甘氨酸三种晶型中最难形成、环境条件最不稳定的，在潮湿空气中放置数小时或加热到67℃后，很快转变为不具有压电性的α-甘氨酸。经过无数个日日夜夜的实验和探索，我们终于解决了这些难题。

压电生物分子薄膜制备新技术与新机制

我们首次提出主动自组装策略来制备高性能压电通过协同纳米限制和原位极化制备了β-甘氨酸纳米晶薄膜。纳米限制诱导的均质成核克服了界面依赖性，并允许原位施加的电场使整个薄膜上的晶粒对齐。β-甘氨酸纳米晶薄膜是基于生物有机薄膜打印机使用电流体动力喷雾法制造的。

然后，我们提出了以下潜在的成核和结晶过程。由于飞行中的纳微液滴尺寸小且无基质特性，β-甘氨酸纳米晶体通过均质成核形成。由于均质成核不受固液界面的影响，因此可以通过施加外部电场来操纵结晶过程，这也充当了极化过程。

晶体生长过程中的原位电场诱导β-甘氨酸纳米晶体的畴排列，从而指示净极化方向

与电场平行。

自然通讯我们的新型压电生物分子薄膜最终可应用于高性能生物机电微器件和瞬态生物电子学，如植入式生物传感器、生物可吸收体内无线充电电源、智能芯片和生物医学工程。我们下一步的工作将集中在三个方面：提高薄膜的柔韧性，使其与生物组织的模量相匹配；低成本批量生产生物可吸收压电薄膜；将我们的产品推广到造福人类的现实世界的生物医学应用中。目前的研究发表在

访问此页面。这个故事是科学X对话，研究人员可以在其中报告其已发表研究论文的研究结果。

了解有关ScienceX Dialog以及如何参与的信息。DOI：10.1038/s41467-023-39692-y更多信息：Zhuomin Zhang 等，通过协同纳米限制和原位极化实现压电生物分子薄膜的主动自组装，自然通讯

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个人简介：
我现为香港城市大学（CityU）机械工程系博士生，及香港科技大学（HKUST）访问学生。