自组装高性能生物分子膜的技术

一个研究小组已经开发出一种新技术，可以在大面积上自组装具有有序取向的氨基酸薄层，显示出高压电强度，使生物相容性和可生物降解的医疗微设备，如起搏器和植入式生物传感器，在不久的将来成为可能。

　　

压电效应——机械能和电能之间的可逆转换——产生生物电在生命系统中具有生理意义。人体胫骨在行走过程中产生的压电电荷促进了骨骼的重塑和生长。此外，呼吸过程中肺部产生的压电电位可以帮助将氧气与血红蛋白结合。

目前，大多数压电材料都是刚性、脆性的，甚至有些压电材料中含有铅、石英等有毒物质，不适合植入人体。压电生物材料如氨基酸是很有前途的替代品，因为它们具有天然的生物相容性、可靠性和可持续性。然而，大规模地操纵生物分子并使其具有正确的功能已被证明是困难的，并且80年来一直是一个国际学术挑战。

为了解决这一长期存在的挑战，由HKUST机械及航空航天工程系副教授Zhengbao Yang教授领导的团队最近开发了一种主动自组装策略，通过协同纳米约束和原位极化来定制压电生物材料薄膜。它使生物分子能够在一个非常大的区域内以相同的方向自组装。更重要的是，基于这种新技术，研究小组发现，氨基酸β-甘氨酸的薄膜表现出增强的压电应变系数为11.2pmV⁻¹，这是与其他生物分子薄膜相比最高的。

他们的自组装压电生物分子薄膜能够从肌肉拉伸、呼吸、血液流动和微小的身体运动产生的机械应力中产生电信号。由于不需要电池，它们在完成任务后就会在体内溶解。

Yang教授说:“我们的研究表明，整个β-甘氨酸薄膜具有均匀的高压电响应和优异的热稳定性。β-甘氨酸纳米晶体薄膜优异的输出性能、天然的生物相容性和生物降解性对高性能瞬态生物机电应用具有实际意义，如植入式生物传感器、用于生物可吸收电子产品的无线充电电源、智能芯片和其他生物医学工程用途。”

该团队将继续研究提高薄膜灵活性以匹配生物组织的方法，并实现生物可吸收压电薄膜的低成本大规模生产。他们还希望在动物身上进行实验，以证明生物医学在体内的应用。

本研究HKUST与香港城市大学和澳大利亚伍伦贡大学合作进行。该研究结果最近发表在《Nature Communications》杂志上。

Zhuomin Zhang, Xuemu Li, Zehua Peng, Xiaodong Yan, Shiyuan Liu, Ying Hong, Yao Shan, Xiaote Xu, Lihan Jin, Bingren Liu, Xinyu Zhang, Yu Chai, Shujun Zhang, Alex K.-Y. Jen, Zhengbao Yang. Active self-assembly of piezoelectric biomolecular films via synergistic nanoconfinement and in-situ poling. Nature Communications, 2023; 14 (1)