HKUSTの研究者が自己実現技術を開拓

Sep 01, 2023

香港科技大学

画像: 圧電性 β-グリシン ナノ結晶フィルムの作製と、相乗的なナノ閉じ込めとその場分極による能動的な自己集合機構。もっと見る

クレジット: HKUST

香港科技大学 (HKUST) が率いる研究チームは、高い圧電強度を示し、生体適合性のある製品の製造を可能にする、規則的な配向を持ったアミノ酸の薄層を広い面積にわたって自己組織化する新しい技術を開発しました。近い将来、ペースメーカーや埋め込み型バイオセンサーなどの生分解性医療用マイクロデバイスの開発が可能になります。

圧電効果による生体電気の生成（機械エネルギーと電気エネルギー間の可逆変換）は、生体システムにおいて生理学的重要性を持っています。 歩行中に人間の脛骨によって生成される圧電電荷は、骨の再構築と成長を促進します。 また、呼吸中に発生する肺内の圧電ポテンシャルは、酸素とヘモグロビンの結合を助ける可能性があります。

現在、ほとんどの圧電材料は硬くて脆く、鉛や石英などの有毒物質を含むものもあるため、人体への埋め込みには適していません。 アミノ酸などの圧電生体材料は、自然に生体適合性、信頼性、持続可能性を示すため、有望な代替品です。 しかし、生体分子を正しく機能させるために整列した方向で大規模に操作することは困難であることが証明されており、80 年間にわたって国際的な学術的課題であり続けています。

長年の課題に対処するため、HKUST機械航空宇宙工学部准教授Zhengbao YANG教授が率いるチームは最近、相乗的なナノ閉じ込めとその場で圧電生体材料薄膜を調整するアクティブな自己組織化戦略を開発した。ポーリング（図を参照）。 これにより、生体分子が非常に広い領域にわたって同じ配向で自己集合することが可能になります。 さらに重要なことは、この新しい技術に基づいて、アミノ酸の一種であるβ-グリシンの膜が、他の生体分子膜と比較して最も高い圧電ひずみ係数11.2pmV-1を示すことを発見したことである。

自己組織化された圧電生体分子フィルムは、筋肉の伸張、呼吸、血流、小さな体の動きによって生じる機械的ストレスから電気信号を生成することができます。 電池は不要で、任務が完了すると体内で溶けるだけです。

ヤン教授は、「私たちの研究は、β-グリシンフィルム全体にわたって均一に高い圧電応答と優れた熱安定性を示しました。 β-グリシンナノ結晶フィルムの優れた出力性能、自然な生体適合性、生分解性は、埋め込み型バイオセンサー、生体吸収性エレクトロニクス用のワイヤレス充電電源、スマートチップ、その他の生体医工学目的など、高性能の一時的な生体電気機械応用に実用的な意味を持ちます。 」

研究チームは、生体組織に合わせてフィルムの柔軟性を向上させ、生体吸収性圧電フィルムの低コスト大量生産を達成する方法を引き続き検討する。 彼らはまた、生体内での生物医学的応用を実証するために動物実験を実施することも検討している。

この研究は、香港城市大学およびオーストラリアのウロンゴン大学との共同研究です。 研究結果は最近『Nature Communications』誌に発表された。

自然

10.1038/s41467-023-39692-y

実験研究

適用できない

相乗的なナノ閉じ込めとその場分極による圧電生体分子膜の能動的な自己組織化

2023 年 7 月 11 日

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