新しい剥離技術は、生体材料の圧電性を「回復」します

圧電材料は生物医学分野に適用可能であり、それらが生体適合性および分解性であることができれば、それは実際の用途に向けた大きな一歩となるでしょう。 最近、香港城市大学（CityU）の研究チームは、羊の小腸組織の極薄膜を調製するための簡単な剥離方法を開発しました。 この生体組織は、マクロレベルでは圧電特性を持たないと考えられていましたが、CityUの研究チームは、材料が薄すぎると圧電性を示す可能性があることを発見しました。 チームは、その自然な生体適合性により、これらの圧電生体材料は、センサーやスマートチップなどのさまざまな生物医学アプリケーションで使用できる可能性があると考えています。

この研究は、機械工学科（MNE）の助教授であるYangZhengbao博士が主導しました。 それらの結果は学術雑誌に掲載されました 先端材料「ファンデルワールスピールフィルム超薄型粘膜下圧電処理」と題されています。

生物医学における圧電生体材料の潜在的な用途

圧電性は、圧力によって生成される電気です。 圧電生体材料は、組織の回復や骨の再生を促進するなど、生体組織に圧電効果をもたらす可能性があり、埋め込み型センサーやアクチュエーターにも適用できます。 ただし、コストが高く、技術的な制限があるため、生体組織の圧電性に関するほとんどの研究は理論的なままです。

2021年のノーベル生理学・医学賞は、人間の触覚と痛みの謎を解き明かした科学者のデビッド・ジュリアスとエルデム・パタブティアンに授与されます。 彼らは、細胞が圧力を感知し、タンパク質ピエゾ1とピエゾ2の電気機械結合の効果を通じて触覚を誘発することを確認しました。骨、羊毛、腱、皮膚。

原子間力顕微鏡下で小腸に粘膜下コラーゲン線維が観察された。 彼に起因する： 先端材料 （2022）。 DOI：10.1002 / adma.202200864

一方、粘膜と筋層を支えてつなぐ小腸の組織層である小腸粘膜下組織（SIS）の大規模な検査が行われています。 生体適合性と異種間移植における陰性反応の欠如のおかげで、小腸粘膜下層は生物医学的応用の大きな可能性を秘め、腱などの組織を修復するための「足場」として一般的に使用されます。 しかし、小腸粘膜下組織には圧電効果がありますか？

「1960年代に、有名な日本の科学者深田一は、巨視的なレベルで腸の圧電性の直接的であるが弱い効果を観察しました」とヤン博士は言いました。 「しかし、当時の測定機器の技術的限界により、固有の圧電効果の定量化は実証できませんでした。そのため、その生物学的圧電性の理由は謎のままでした。」

圧電効果スイッチ

医用生体工学では、粘膜下組織を小腸に塗布する前に、圧電効果が発生するかどうかを確認し、定量的に測定する必要があります。 これらの2つの主要な問題に対処するために、ヤン博士と彼のチームは、羊の粘膜下小腸の構造とその生物学的圧電性を体系的に調査しました。 最後に、チームは初めて、粘膜下小腸の内部圧電効果を定量的に測定しました。 数回の測定の後、チームは粘膜下小腸で圧電効果を生み出す鍵がコラーゲン繊維の階層構造にあることを明らかにしました。

「小腸の粘膜下組織は、数百層のコラーゲン繊維から自然に形成されており、一般的な厚さは最大数十ミリメートルであることがわかりました」と、ZhangChumin医師は述べています。 学生であり、論文の筆頭著者。 「私たちの研究によると、内部の圧電効果が層内で打ち消されるため、巨視的な厚さのレベルで圧電性をミリメートル単位で示すことは困難です。したがって、巨視的なレベルで圧電性が弱いか、まったく検出されないことがわかりました。粘膜下小腸を薄くすることで、圧電性のキャンセルと「復元」の問題を克服できます。これにより、粘膜下小腸から非常に薄い膜を製造するためのファンデルワールス剥離（vdWE）法を開発することになりました。」

図Aは、小腸の粘膜下組織の薄膜を作成するプロセスを示しています。 図Bは、未処理の粘膜下組織（78.5μm）と剥離した小腸（8.5μm）の厚さの比較を示す電子顕微鏡画像です。 図（c）は、剥離を繰り返した場合の超薄膜の厚さ（〜100 nm）を示しています。 図Dは、シリコン基板上の非常に薄いフィルムを示しています。 彼に起因する： 先端材料 （2022）。 DOI：10.1002 / adma.202200864

超薄型状態で圧電性を「回復」します

この研究におけるチームの成果の1つは、提案されたファンデルワールス剥離技術です。これは、超薄型の生体電気駆動フィルムを製造するための簡単な方法です。 チームは、グラフェンなどの2次元材料を操作する方法に着想を得て、層間の弱いファンデルワールス力を使用して、小腸の粘膜下層の単層または多層の薄層を作成しました。 繰り返し剥離法で作製した超薄膜の厚さは100ナノメートルに達することがあり、これは元の非剥離材料の厚さの約800分の1です。

チームは、小腸の極薄の粘膜下組織膜を使用して、その生物学的圧電性を検証し、その生物学的圧電性の起源を特定するための定量的研究を実施しました。

小腸の粘膜下層は、約3.3 pmV / Vの飽和レベルまでフィルムの厚さが減少するにつれて、実効圧電係数の増加を示します。 彼に起因する： 先端材料 （2022）。 DOI：10.1002 / adma.202200864

「フィルムは、約3.3 pm / Vの飽和レベルまで、フィルムの厚さが減少するにつれて実効圧電係数の増加を示しました」とYang博士は述べています。 「当社のvdWE技術に基づいて、超薄膜の圧電応答は、元の非剥離膜の圧電応答に比べて20倍以上増加しました。超薄膜の圧電キャンセルの問題を克服することで、圧電性、圧電性生体組織の応用を可能にします。

研究チームはまた、小腸粘膜下組織の超薄膜における圧電性の実際の応用を調査するためにバイオセンサーを設計しました。 チームは、その自然な生体適合性、柔軟性、および圧電性により、埋め込み型およびウェアラブル電子機器の微小電気機械デバイスにとって有望で環境に優しい材料であることを発見しました。 チームが提案したvdWE技術は、使いやすく環境に優しい技術であり、魚の膀胱やアキレス腱など、ファンデルワールスの層状構造を持つ多くの生物学的軟組織材料にも適用できます。