Zhang Zhuomin, un membro del team di ricerca del dottor Yang Zhengbao, dimostra la materia prima della sottomucosa dell'intestino tenue delle pecore. Credito:City University di Hong Kong
I materiali piezoelettrici sono applicabili in campo biomedico e, se possono essere biocompatibili e degradabili, sarà un grande passo avanti verso applicazioni reali. Di recente, un gruppo di ricerca della City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato un semplice metodo di esfoliazione per preparare film ultrasottili di tessuti dell'intestino tenue di pecora. Si ritiene che questo tessuto biologico non abbia proprietà piezoelettriche su scala macro, ma il team di ricerca di CityU ha scoperto che se il materiale è ultrasottile, può mostrare piezoelettricità. Con la sua biocompatibilità naturale, il team ritiene che tale biomateriale piezoelettrico possa essere probabilmente utilizzato in varie applicazioni biomediche, come sensori e chip intelligenti.
La ricerca è stata guidata dal Dr. Yang Zhengbao, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica (MNE). I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista accademica Advanced Materials , con il titolo "Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films."
Potenziale applicazione di biomateriali piezoelettrici in campo biomedico
La piezoelettricità è l'elettricità risultante dall'applicazione di pressione. I biomateriali piezoelettrici hanno un potenziale effetto della piezoelettricità sui tessuti biologici, ad esempio facilitando il recupero dei tessuti e la rigenerazione ossea, e possono anche essere applicati in sensori e attuatori impiantabili. Tuttavia, a causa dei costi elevati e dei limiti tecnologici, la maggior parte della ricerca sulla piezoelettricità sui tessuti biologici rimane teorica.
Il Premio Nobel 2021 per la Fisiologia o la Medicina è stato assegnato agli scienziati David Julius e Ardem Patapoutian, che hanno risolto il mistero della sensazione umana del tatto e del dolore. Hanno verificato che le cellule percepiscono la pressione e suscitano la sensazione del tatto attraverso gli effetti di accoppiamento elettromeccanico delle proteine Piezo 1 e Piezo 2. In effetti, l'effetto piezoelettrico è un tipo di effetto di accoppiamento elettromeccanico, che esiste ampiamente nei tessuti biologici piezoelettrici, come ossa, lana, tendini e l'epidermide.
Fibre di collagene della sottomucosa dell'intestino tenue osservate al microscopio a forza atomica. Credito:Materiali avanzati (2022). DOI:10.1002/adma.202200864
D'altra parte, è stata ampiamente studiata la sottomucosa dell'intestino tenue (SIS), che è uno strato di tessuti dell'intestino tenue che sostiene la mucosa e la unisce allo strato muscolare. Grazie alla sua biocompatibilità e alla mancanza di risposte avverse nei trapianti tra specie diverse, la sottomucosa dell'intestino tenue ha un grande potenziale per applicazioni biomediche ed è comunemente usata come "impalcatura" per riparare tessuti come i tendini. Ma la sottomucosa dell'intestino tenue ha un effetto piezoelettrico?
"Negli anni '60, il famoso scienziato giapponese Eiichi Fukada osservò un effetto piezoelettrico diretto ma debole nell'intestino a livello macroscopico", ha affermato il dottor Yang. "Tuttavia, a causa dei limiti tecnologici delle apparecchiature di misurazione dell'epoca, non è stato possibile dimostrare la determinazione quantitativa dell'effetto piezoelettrico intrinseco. Quindi il motivo della sua piezoelettricità biologica è rimasto un mistero".
Chiave per la generazione dell'effetto piezoelettrico
Prima di applicare effettivamente il materiale della sottomucosa dell'intestino tenue in ingegneria medica, è necessario verificare se può generare un effetto piezoelettrico ed essere misurato quantitativamente. Per affrontare queste due questioni chiave, il dottor Yang e il suo team hanno studiato sistematicamente la struttura della sottomucosa dell'intestino tenue delle pecore e la sua piezoelettricità biologica. Alla fine, per la prima volta, il team ha misurato quantitativamente l'effetto piezoelettrico intrinseco della sottomucosa dell'intestino tenue. Dopo diversi cicli di misurazione, il team ha rivelato che la chiave per la generazione dell'effetto piezoelettrico nella sottomucosa dell'intestino tenue risiede nella struttura gerarchica delle sue fibre di collagene.
"Abbiamo scoperto che la sottomucosa dell'intestino tenue è formata naturalmente con centinaia di strati di fibre di collagene, con uno spessore generale di decine di millimetri", ha affermato Zhang Zhuomin, Ph.D. del Dr. Yang. studente e primo autore dell'articolo. "Secondo la nostra ricerca, è difficile mostrare piezoelettricità a livello macroscopico di spessore in millimetri, poiché il suo effetto piezoelettrico intrinseco verrebbe annullato all'interno degli strati. Pertanto, a livello macroscopico viene rilevata solo una piezoelettricità debole o addirittura assente. Noi scoperto che rendere più sottile la sottomucosa dell'intestino tenue potrebbe superare il problema della cancellazione e "recuperare" la piezoelettricità. Questo ci ha spinto a sviluppare il metodo di esfoliazione di van der Waals (vdWE) proposto per fabbricare una pellicola ultrasottile dalla sottomucosa dell'intestino tenue."
La figura A mostra il processo di fabbricazione del film ultrasottile dalla sottomucosa dell'intestino tenue. La figura B è un'immagine al microscopio elettronico a scansione che mostra il confronto dello spessore tra la sottomucosa dell'intestino tenue non trattata (78,5 μm) e quella staccata (8,5 μm). La figura C mostra lo spessore del film ultrasottile mediante peeling ripetuto (circa 100 nm). La figura D mostra una pellicola ultrasottile su un substrato di silicio. Credito:Materiali avanzati (2022). DOI:10.1002/adma.202200864
La piezoelettricità si "riprende" in uno stato ultrasottile
Una delle scoperte ottenute dal team in questa ricerca è la tecnica di esfoliazione proposta da van der Waals, un metodo semplice per fabbricare un film ultrasottile biopiezoelettrico. Ispirato dal metodo di elaborazione di materiali bidimensionali come il grafene, il team ha utilizzato la debole forza di van der Waals tra gli strati per fabbricare un film ultrasottile a uno o più strati della sottomucosa dell'intestino tenue. La pellicola ultrasottile prodotta da questo metodo di peeling ripetuto può raggiungere uno spessore di 100 nm, che è quasi 800 volte più sottile di quello del materiale originale non esfoliato.
Utilizzando una pellicola ultrasottile della sottomucosa dell'intestino tenue preparata, il team ha eseguito uno studio quantitativo sondando la piezoelettricità biologica e determinando l'origine della sua piezoelettricità biologica.
La sottomucosa dell'intestino tenue mostra un aumento del coefficiente piezoelettrico effettivo con una diminuzione dello spessore del film fino a un livello di saturazione di circa 3,3 pm/V. Credito:Materiali avanzati (2022). DOI:10.1002/adma.202200864
"I film hanno mostrato un aumento del coefficiente piezoelettrico effettivo con una diminuzione dello spessore del film, fino a un livello di saturazione di circa 3,3 pm/V", ha affermato il dott. Yang. "Sulla base della nostra tecnica vdWE, la risposta piezoelettrica dei film ultrasottili è aumentata di oltre 20 volte rispetto ai film originali non esfoliati. Poiché il problema della cancellazione della piezoelettricità è superato nel film ultrasottile, possiamo rilevare la piezoelettricità, rendendo così possibile l'applicazione di tessuti biologici piezoelettrici."
Il team di ricerca ha inoltre progettato un biosensore per verificare l'applicazione pratica della piezoelettricità nel film ultrasottile della sottomucosa dell'intestino tenue. Il team ha scoperto che la sua naturale biocompatibilità, flessibilità e piezoelettricità lo rendono un materiale promettente ed ecologico per i microdispositivi elettromeccanici nell'elettronica impiantabile e indossabile. La tecnica vdWE proposta dal team è semplice ed ecologica e può anche essere applicata a vari materiali biologici di tessuti molli con strutture stratificate di van der Waals, come vesciche di pesce e tendini d'achille di vacca. + Esplora ulteriormente
