壓電材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力，如果能夠?qū)崿F(xiàn)生物相容性和可降解性，必將推動(dòng)它們朝實(shí)際應(yīng)用邁進(jìn)一大步。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，香港城市大學(xué)（CityU）的一支研究團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的剝離方法，可用于制備綿羊小腸組織的超薄薄膜。這種生物組織在宏觀上被認(rèn)為沒有壓電特性，但CityU的研究小組發(fā)現(xiàn)，如果這種材料足夠超薄，它也可以展示出壓電特性。并且，憑借其天然的生物相容性，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種壓電生物材料有望用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如傳感器和智能芯片等。
這項(xiàng)研究由CityU機(jī)械工程系助理教授Yang Zhengbao博士領(lǐng)導(dǎo)。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films”為標(biāo)題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials。
壓電生物材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用
壓電材料可以通過施加壓力而產(chǎn)生電荷。壓電生物材料在生物組織上具有潛在的壓電效應(yīng)，例如促進(jìn)組織恢復(fù)和骨再生，還可以應(yīng)用于植入式傳感器和執(zhí)行器。然而，由于成本及技術(shù)限制，壓電效應(yīng)在生物組織中的研究大多還停留在理論階段。
產(chǎn)生壓電效應(yīng)的關(guān)鍵
Yang Zhengbao教授的博士生、該論文第一作者Zhang Zhuomin說：“我們發(fā)現(xiàn)小腸粘膜下層由數(shù)百層膠原纖維自然形成，一般厚度為幾十個(gè)毫米。根據(jù)我們的研究，它們很難在毫米級(jí)厚度的宏觀水平上顯示出壓電特性，因?yàn)槠涔逃械膲弘娦?yīng)會(huì)在層內(nèi)被抵消。因此，在宏觀水平上只能檢測(cè)到微弱甚至沒有壓電性。我們發(fā)現(xiàn)，使小腸粘膜下層變薄可以克服抵消的問題，從而重現(xiàn)壓電特性。這推動(dòng)我們開發(fā)了這種由小腸粘膜下層制備壓電超薄膜的范德華剝離方法（van der Waals exfoliation, vdWE）。”
新型剝離技術(shù)“重現(xiàn)”生物材料的壓電特性
圖A展示了由小腸粘膜下層制備超薄膜的過程。圖B掃描電子顯微圖像，展示了未經(jīng)處理（78.5μm）和剝離的小腸粘膜下層（8.5μm）的厚度對(duì)比。圖C展示了通過重復(fù)剝離得到的超薄膜（厚度約100nm）。圖D展示了硅襯底上的超薄膜。
超薄狀態(tài)下的壓電特性
該團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中取得的突破之一是所提出的范德華剝離技術(shù)，這是一種制作生物壓電超薄膜的簡(jiǎn)單方法。受石墨烯等二維材料加工方法的啟發(fā)，該研究小組利用層間微弱的范德華力制備出單層或多層小腸粘膜下層超薄膜。通過這種重復(fù)剝離方法制備的超薄膜，可以達(dá)到100nm的厚度，相比原始未剝離材料薄了近800倍。
利用所制備的小腸粘膜下層超薄膜，研究小組進(jìn)行了定量研究，探討了其生物壓電性，并確定了其生物壓電性的來源。
隨著小腸粘膜下層薄膜厚度的降低，其有效壓電系數(shù)增加，可達(dá)約3.3 pm/V的飽和水平
Yang教授評(píng)價(jià)說：“基于我們的范德華剝離技術(shù)，與未處理的原始薄膜相比，超薄膜的壓電響應(yīng)增加了20多倍，從而使壓電生物組織的應(yīng)用成為可能。”
該研究小組還設(shè)計(jì)了一種生物傳感器，以驗(yàn)證小腸粘膜下層超薄膜壓電特性的實(shí)際應(yīng)用。研究小組發(fā)現(xiàn)，其天然的生物相容性、柔韌性和壓電特性，使其成為植入式和可穿戴電子設(shè)備中微型機(jī)電器件極具前景且生態(tài)友好的材料。該團(tuán)隊(duì)提出的范德華剝離技術(shù)簡(jiǎn)便且環(huán)保，還可以應(yīng)用于具有范德華層狀結(jié)構(gòu)的各種生物軟組織材料，例如魚鰾和牛跟腱等。
