香港城大团队研发出简单剥离法令生物材料“重拾”压电性能
压电材料能应用于生物医学范畴，而假如该材料是生物兼容且可降解，对迈向真正应用可谓跨出一大步。最近香港城市大学（城大）的研究团队便研发出简单的剥离方法，制备出羊小肠组织的超薄膜。该生物组织向来被认为在宏观上不具备压电性能，研究团队却发现原来在超薄的状态下，该材料会显示出压电性，加上其自然生物相容性，团隊相信將可应用於具生物医学用途的传感器、智能芯片等。
研究由来自城大机械工程学系（MNE）的助理教授杨征保博士领导，研究结果已于学术期刊《Advanced Materials》上发表，题为〈van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films〉。
压电生物材料于生物医学的应用潜力
所谓“压电”（piezoelectric），意思即是透过施加压力而产生电压。而压电生物材料（piezoelectric biomaterials）的压电效应，对生物组织有潜在的作用，例如协助组织修复、骨再生（bone regeneration）等，也可用于植入式感测器、致动器等。然而，由于成本和技术所限，探讨生物组织压电性的大部分研究，仍处于理论层面。
2021年10月获颁诺贝尔生理学或医学奖的两位科学家David Julius和Ardem Patapoutian，破解了人类痛觉和触觉的奥秘。他们证实了细胞通过名为PIEZO1和PIEZO2的蛋白的“机电耦合效应”（electromechanical coupling），来感知压力而衍生触觉。而压电效应正是机电耦合效应的其中一种，广泛存在于骨、羊毛、肌腱、和皮肤等压电生物组织。
另一方面，小肠粘膜下层（small intestinal submucosa, SIS）是其中一款被广泛研究的生物组织，它是小肠的其中一层，负责支撑粘膜并连接粘膜到肌肉层。由于其生物相容性，以及在跨物种移植中并无产生不良反应，在生物医学应用方面具有巨大潜力，多用作修复肌腱等组织的“支架”。但究竟小肠粘膜下层是否带有压电效应呢？
杨博士说：“上世纪日本著名科学家Eiichi Fukada的研究，便观察到小肠有直接压电效应，不过在宏观层面的压电性较弱，加上当时测量压电效应的设备技术上有局限，未能定量测出固有压电，亦未能确定产生生物压电性的原因。”
研究发现产生压电效应的关键
假如要在实际医学工程中应用小肠粘膜下层材料，首先要确定它到底能否产生压电效应，以及能否定量地测量到。于是，杨博士和团队就针对上述两点，集中钻研来自羊的小肠粘膜下层的结构，并对其生物压电性进行了系统性研究，结果，成功首次定量测定了小肠粘膜下层的固有压电效应。经反复测量后，团队更发现小肠粘膜下层产生生物压电性的关键，乃在于其富含的胶原蛋白纤维的多层级结构。
杨博士负责指导的博士生、论文的第一作者张卓敏进一步说：“小肠粘膜下层由数百层的胶原纤维层层交叠而成，一般厚度为几十微米。我们的研究显示，在这个厚度的层状结构中，会出现压电效应互相抵消掉的问题，因而在宏观上无法表现出压电或者只能显示出微弱的压电。我们更发现小肠粘膜下层越薄的话，就会克服压电抵消的问题，从而重现压电性，这促使我们研发出‵范德华剥离工艺’来制备小肠粘膜下层超薄膜。”
超薄状态重现压电性能
团队此研究的其中一项突破，是提出了名为范德华剥离工艺（van der Waals exfoliation，vdWE）的简单方法，利用软生物组织层状结构中微弱的范德华力（van der Waals force，即分子间作用力），通过类似制备石墨烯等二维材料的重复剥离方法，成功制备由单层或多层胶原纤维网絡组成、厚度只有100nm的小肠粘膜下层超薄薄膜。而100nm这个厚度，是未进行剥离的小肠粘膜下层原始薄膜厚度的800分之一。
然後，团队就小肠粘膜下层超薄膜进行定量研究，以探测其生物压电性。杨博士总结说：“小肠粘膜下层薄膜的有效压电系数会随著薄膜厚度的减小而增大，直至达到饱和水平，即约3.3pm/V。以我们vdWE技术制备的超薄膜，其压电响应（piezoresponse）比未剥离的原始薄膜增加了20多倍。小肠粘膜下层超薄膜克服了压电性抵消的问题，令我们检测出其压电性，并使压电生物软组织材料的应用成为可能。”
此外，研究团队也设计了一个生物感测器，验证了小肠粘膜下层超薄膜压电性的实际应用。小肠粘膜下层超薄膜的自然生物相容性、灵活性和压电性，使其成为植入式和可穿戴式电子设备中机电微器件的理想材料选择，更是一款环保的材料。研究所提出的vdWE技术简单又环保，并可以拓展应用到各种具有范德华层状结构的生物软组织材料，例如鱼鳔和牛跟腱等。
杨教授是论文的通讯作者。来自城大机械工程学系的博士生张卓敏和刘世源为共同第一作者。城大物理学系助理教授柴愚博士、机械工程学系的博士后彭泽华博士、博士生潘其其、洪颖、单尧、许晓特和硕士生刘秉仁亦有参与研究。
该研究获得香港研究资助局和国家自然科学基金会的资助而进行。
DOI number: 10.1002/adma.202200864
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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