压电生物材料在生物医学领域的潜在应用

压电材料在生物医学领域有着广泛的应用潜力，如果能够实现生物相容性和可降解性，必将推动它们朝实际应用迈进一大步。据麦姆斯咨询报道，香港城市大学（CityU）的一支研究团队近期开发了一种简单的剥离方法，可用于制备绵羊小肠组织的超薄薄膜。这种生物组织在宏观上被认为没有压电特性，但CityU的研究小组发现，如果这种材料足够超薄，它也可以展示出压电特性。并且，凭借其天然的生物相容性，该团队认为，这种压电生物材料有望用于各种生物医学应用，例如传感器和智能芯片等。

这项研究由CityU机械工程系助理教授Yang Zhengbao博士领导。这项研究成果已经以“Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films”为标题发表于学术期刊Advanced Materials。

压电生物材料在生物医学领域的潜在应用

压电材料可以通过施加压力而产生电荷。压电生物材料在生物组织上具有潜在的压电效应，例如促进组织恢复和骨再生，还可以应用于植入式传感器和执行器。然而，由于成本及技术限制，压电效应在生物组织中的研究大多还停留在理论阶段。

产生压电效应的关键

Yang Zhengbao教授的博士生、该论文第一作者Zhang Zhuomin说：“我们发现小肠粘膜下层由数百层胶原纤维自然形成，一般厚度为几十个毫米。根据我们的研究，它们很难在毫米级厚度的宏观水平上显示出压电特性，因为其固有的压电效应会在层内被抵消。因此，在宏观水平上只能检测到微弱甚至没有压电性。我们发现，使小肠粘膜下层变薄可以克服抵消的问题，从而重现压电特性。这推动我们开发了这种由小肠粘膜下层制备压电超薄膜的范德华剥离方法（van der Waals exfoliation, vdWE）。”

新型剥离技术“重现”生物材料的压电特性

图A展示了由小肠粘膜下层制备超薄膜的过程。图B扫描电子显微图像，展示了未经处理（78.5μm）和剥离的小肠粘膜下层（8.5μm）的厚度对比。图C展示了通过重复剥离得到的超薄膜（厚度约100nm）。图D展示了硅衬底上的超薄膜。

超薄状态下的压电特性

该团队在这项研究中取得的突破之一是所提出的范德华剥离技术，这是一种制作生物压电超薄膜的简单方法。受石墨烯等二维材料加工方法的启发，该研究小组利用层间微弱的范德华力制备出单层或多层小肠粘膜下层超薄膜。通过这种重复剥离方法制备的超薄膜，可以达到100nm的厚度，相比原始未剥离材料薄了近800倍。

利用所制备的小肠粘膜下层超薄膜，研究小组进行了定量研究，探讨了其生物压电性，并确定了其生物压电性的来源。

随着小肠粘膜下层薄膜厚度的降低，其有效压电系数增加，可达约3.3 pm/V的饱和水平

Yang教授评价说：“基于我们的范德华剥离技术，与未处理的原始薄膜相比，超薄膜的压电响应增加了20多倍，从而使压电生物组织的应用成为可能。”

该研究小组还设计了一种生物传感器，以验证小肠粘膜下层超薄膜压电特性的实际应用。研究小组发现，其天然的生物相容性、柔韧性和压电特性，使其成为植入式和可穿戴电子设备中微型机电器件极具前景且生态友好的材料。该团队提出的范德华剥离技术简便且环保，还可以应用于具有范德华层状结构的各种生物软组织材料，例如鱼鳔和牛跟腱等。

审核编辑 ：李倩