Stellen Sie sich winzige piezoelektrische Kraftsensoren vor, die im Körper platziert werden können: Sie überwachen physiologische Druckänderungen in geschädigten Organen, unterstützen die präzise Verabreichung von Medikamenten oder fördern die Reparatur und Regeneration von Gewebe. Und das Beste daran? Sie benötigen keine Batterieleistung und nach Gebrauch der Körper absorbiert und baut sie ab , wodurch eine invasive Entfernungsoperation überflüssig wird!
Traditionelle piezoelektrische Materialien wie anorganische Keramiken und organische Polymere weisen jedoch eine unzureichende Abbaubarkeit und Zytotoxizität auf. Wissenschaftler identifizierten Aminosäurekristalle als vielversprechende Kandidaten – sie sind biokompatibel und Ausstellung ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften Die Herausforderung? Diese Kristalle sind zu klein, wie verstreuter Sand, was es äußerst schwierig macht, sie zu funktionsfähigen Geräten auszurichten.
Die Forscher Yi Cao und Bin Xue von der Universität Nanjing haben eine Lösung gefunden: eine spezielle Technik namens „ Mechanisches Glühen „. Unter Verwendung natürlicher Aminosäurekristalle als piezoelektrisches Material entwickelten sie vollständig organische, biologisch abbaubare piezoelektrische Kraftsensoren. Durch mechanisches Glühen stieg die Stromerzeugungsfähigkeit der Kristalle sprunghaft an – sie erreichten einen 12-mal höheren piezoelektrischen Koeffizienten als Einkristallpulver! Darüber hinaus wurden die behandelten Kristallfilme glatt und flach, wie ein Displayschutz für Mobiltelefone, was den Kontakt mit den Elektroden deutlich verbesserte und stärkere, stabilere elektrische Signale ermöglichte.
Das Ergebnis " absorbierbare piezoelektrische Kraftsensoren ", wurden nach der Verpackung in vivo implantiert und überwachten erfolgreich dynamische Bewegungen wie Muskelkontraktionen und Lungenatmung kontinuierlich für 4 Wochen . Danach allmählich abgebaut, ohne Entzündungen oder systemische Toxizität zu verursachen . Dieser Durchbruch bietet neue Hoffnung für die Medizin der Zukunft und bietet einen Weg zur Entwicklung und Herstellung vollständig organischer, biologisch abbaubarer Kraftsensoren für potenzielle klinische Anwendungen!
Herstellung des verpackten Kraftsensors:
Herstellung mechanisch getemperter Kristallfilme: Isoleucin wurde in deionisiertem Wasser gelöst, erhitzt und anschließend in ein Eiswasserbad gegeben, wo es stehen blieb, damit sich Kristallkeime bilden konnten. Die Kristalle wurden anschließend gesammelt und im Ofen getrocknet. Die hergestellten Isoleucinkristalle wurden in eine Tablettenform gefüllt und einem mechanischen Glühprozess unterzogen, wodurch runde, filmartige Kristalle entstanden. Andere Aminosäurekristalle und ihre mechanisch geglühten Gegenstücke wurden mit der gleichen Methode hergestellt.
Vorbereitung der PLA-PAN-Elektrode: Polymilchsäure (PLA) wurde in Dichlormethan (DCM) gelöst, um PLA-Filme zu bilden, die als äußere „Schutzmembran“ des Sensors dienen. Doch eine Membran allein reicht nicht aus; Sensoren benötigen Elektroden, um schwache elektrische Signale zu erfassen. Die Forscher nutzten einen cleveren Trick: Sie tauchten eine Seite des PLA-Films in eine „reaktive Lösung“ (enthaltend Schwefelsäure und Anilin). Nach der Verarbeitung wurde die ursprünglich isolierende PLA-Filmoberfläche mit einer leitfähigen Schicht aus Polyanilin (PAN) überzogen, wodurch sie zu einer „PLA-PAN-Kompositelektrode“ mit Doppelfunktion wurde – schützend und leitfähig zugleich.
Integration des „Power Core“: Piezoelektrischer Kristallfilm: Der mechanisch geglühte Aminosäurekristallfilm ist das „Herzstück“ des Sensors und für die Umwandlung von Druck in elektrische Signale verantwortlich. Es wurde ein quadratischer PLA-Film mit einem Loch in der Mitte vorbereitet. Der Kristallfilm wurde in dieses Loch gelegt, wodurch eine Sandwichschicht entstand. Die PLA-PAN-Elektroden wurden in quadratische Filme geschnitten und die Sandwichschicht dazwischen gelegt. Um eine vollständige Versiegelung zu gewährleisten, wurde ein spezieller PLA-Kleber (ebenfalls aus gelöstem PLA) sorgfältig auf alle Kanten und Oberflächen aufgetragen, wodurch das Sandwich praktisch in Frischhaltefolie eingewickelt wurde. Nach dem Trocknen des Klebers war ein vollständig versiegelter, verpackter Kraftsensor entstanden!
Optimierung für den In-Vivo-Einsatz: Für die eigentlich zur Implantation vorgesehene Version haben die Wissenschaftler entscheidende Optimierungen vorgenommen: Zur Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit , ein achtarmiges Polyethylenglykolaminhydrochlorid ( 8-armiger PEG-NH 2 ·HCl (SUC) ) wurde in die PLA-Lösung gemischt und der Kristallfilm wurde direkt zwischen die beiden PLA-PAN-Elektroden gelegt (unter Auslassung der mittleren PLA-Filmschicht) und mit PLA-Kleber versiegelt. Polyethylenglykol und seine Derivate gehören zu den wenigen Polymeren, die von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für biomedizinische Produkte zertifiziert sind und für ihre extrem geringe Zytotoxizität und ausgezeichnete Biokompatibilität bekannt sind.
Leistung und Bedeutung:
Die experimentelle Validierung bestätigte, dass die entwickelten piezoelektrischen Kraftsensoren über eine ausgezeichnete Biokompatibilität, Langzeitstabilität und biologische Abbaubarkeit verfügen. In dieser Studie wird erstmals die Strategie des mechanischen Temperns vorgeschlagen, die die Herstellung großflächiger, hochgeordneter Isoleucin-Kristallmaterialien ermöglicht.
Diese Methode ist vielseitig und kann auf die Entwicklung und Herstellung anderer piezoelektrischer Filme auf Basis von Biomaterialien erweitert werden. Die hochgeordnete Anordnung der kristallinen Phase innerhalb des Films erhöht dessen makroskopischen piezoelektrischen Koeffizienten deutlich, während die flache, glatte Oberfläche eine enge Verbindung mit den leitfähigen Polymerelektroden gewährleistet. Folglich weisen die verpackten Kraftsensoren eine hohe Empfindlichkeit und einen breiten Kraftmessbereich auf.
Kürzlich haben Forscher verschiedene neuartige biomolekulare Kristalle mit Peptiden und deren Derivaten untersucht, deren piezoelektrische Koeffizienten die der in dieser Studie verwendeten Materialien deutlich übertreffen. Angesichts der Vielseitigkeit der mechanischen Glühtechnik ist der Ersatz von Isoleucin durch diese neuartigen piezoelektrischen Biomaterialien vielversprechend für die weitere Verbesserung der Leistungsfähigkeit von biologisch abbaubaren Kraftsensoren auf Aminosäurebasis.
Der 8-armige PEG-NH 2 ·HCl (SUC) in dieser Studie verwendet wurde, stammte aus Xiamen Sinopeg Biotech Co., Ltd. Sinopeg bietet eine Vielzahl von strukturierten Acht-Arm-Produkten (SUC) an. Anfragen sind willkommen!
Referenz:
Cheng, Yuanqi, et al. „Steigerung der piezoelektrischen Empfindlichkeit von Aminosäurekristallen durch mechanisches Tempern für die Entwicklung vollständig abbaubarer Kraftsensoren.“ Advanced Science 10.11 (2023): 2207269.
