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城大團隊研發出簡單剝離法令生物材料「重拾」壓電性能

Peer-Reviewed Publication

City University of Hong Kong

羊小腸粘膜下層薄膜

image: 楊征保博士研究團隊成員、論文的第一作者張卓敏,展示羊小腸粘膜下層薄膜的原材料。 view more 

Credit: 香港城市大學

壓電材料能用於生物醫學範疇,而假如該材料生物兼容且可降解,對邁向真正應用可謂跨出一大步。最近香港城市大學(香港城大)的研究團隊便研發出簡單的剝離方法,製備出羊小腸組織的超薄膜。該生物組織向來被認為在宏觀上不具備壓電性能,研究團隊卻發現原來在超薄的狀態下,該材料會顯示出壓電性,加上其自然生物相容性,可製成具生物醫學用途的傳感器、智能芯片等等。

研究由來自香港城大機械工程學系(MNE)的助理教授楊征保博士領導,研究結果已於學術期刊《Advanced Materials》上發表,題為〈van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films〉

壓電生物材料具生物醫學應用潛力

所謂「壓電」(piezoelectric),意思即是透過施加壓力而產生電壓。而壓電生物材料(piezoelectric biomaterials)的壓電效應對生物組織有潛在的作用,如協助組織修復、骨的再生等,也可用於植入式感測器、致動器等。然而,由於成本和技術所限,探討生物壓電性的大部分研究仍處於理論層面。

2021年10月獲頒諾貝爾生理學或醫學獎的兩位科學家David JuliusArdem Patapoutian,破解了人類痛覺和觸覺的奧秘。他們證實了細胞通過名為PIEZO1和PIEZO2的蛋白的「機電耦合效應」(electromechanical coupling),來感知壓力而衍生觸覺。而壓電效應正是機電耦合效應的其中一種,廣泛存在於骨、羊毛、肌腱、和皮膚等壓電生物組織。

另一方面,小腸粘膜下層(small intestinal submucosa, SIS)是其中一款被廣泛研究的生物組織,它是小腸的其中一層,負責支撐粘膜並連接粘膜到肌肉層。由於其生物相容性,以及在跨物種移植中並無產生不良反應,在生物醫學應用方面具有巨大潛力,多用作修復肌腱等組織的「支架」。但究竟小腸粘膜下層是否帶有壓電效應呢?

楊博士說:「上世紀日本著名科學家Eiichi Fukada的研究,便觀察到小腸有直接壓電效應,不過在宏觀層面的壓電性較弱,加上當時測量壓電效應的設備技術上有局限,未能定量測出固有壓電,亦未能確定產生生物壓電性的原因。」

研究發現產生壓電效應的關鍵

假如要在實際醫學工程中應用小腸粘膜下層材料,首先要確定它到底能否產生壓電效應,以及能否定量地測量到。於是,楊博士和團隊就針對上述兩點,集中鑽研來自羊的小腸粘膜下層的結構,並對其生物壓電性進行了系統性研究,結果,成功首次定量測定了小腸粘膜下層的固有壓電效應。經反復測量後,團隊更發現小腸粘膜下層產生生物壓電性的關鍵,乃在於其富含的膠原蛋白纖維的多層級結構。

楊博士負責指導的博士生、論文的第一作者張卓敏進一步說:「小腸粘膜下層由數百層的膠原纖維層層交疊而成,一般厚度為幾十微米。我們的研究顯示,在這個厚度的層狀結構中,會出現壓電效應互相抵消掉的問題,因而在宏觀上無法表現出壓電或者只能顯示出微弱的壓電。我們更發現小腸粘膜下層越薄的話,就會克服壓電抵消的問題,從而重現壓電性,這促使我們研發出『范德華剝離工藝』來製備小腸粘膜下層超薄膜。」

超薄狀態重現壓電性能

團隊提出了名為范德華剝離工藝(van der Waals exfoliation,vdWE)的簡單方法,利用軟生物組織層狀結構中微弱的范德華力(van der Waals force,即分子間作用力),通過類似製備石墨烯等二維材料的重複剝離方法,成功製備出厚度只有100nm的超薄SIS薄膜,由單層或多層膠原纖維網路組成。而100nm這個厚度,是未進行剝離的原始SIS薄膜厚度的800分之一。

然後,團隊就小腸粘膜下層超薄膜進行定量研究,以探測其生物壓電性。楊博士總結說:「小腸粘膜下層薄膜的有效壓電系數會隨著薄膜厚度的減小而增大,直至達到飽和水平,即約3.3pm/V。以我們vdWE技術製備的超薄膜,其壓電響應(piezoresponse)比未剝離的原始薄膜增加了20多倍。小腸粘膜下層超薄膜克服了壓電性抵消的問題,令我們檢測出其壓電性,並使壓電生物軟組織材料的應用成為可能。」

此外,研究團隊也設計了一個生物感測器,驗證了小腸粘膜下層超薄膜壓電性的實際應用。小腸粘膜下層超薄膜的自然生物相容性、靈活性和壓電性,使其成為植入式和可穿戴式電子設備中機電微器件的理想材料選擇,更是一款環保的材料。研究所提出的vdWE技術簡單又環保,並可以拓展應用到各種具有范德華層狀結構的生物軟組織材料,例如魚鰾和牛跟腱等。

楊教授是論文的通訊作者。來自香港城大機械工程學系的博士生張卓敏和劉世源為共同第一作者。香港城大物理學系助理教授柴愚博士、機械工程學系的博士後彭澤華博士、博士生潘其其洪穎單堯許曉特和碩士生劉秉仁亦有參與研究。

是次研究獲得香港研究資助局和國家自然科學基金會的資助而進行。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2022/06/09/new-cityu-exfoliation-technique-recovers-biomaterials-piezoelectricity


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