Os materiais piezoelétricos são aplicáveis ​​no campo biomédico e, se puderem ser biocompatíveis e degradáveis, será um grande passo para aplicações reais. Recentemente, uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu um método simples de esfoliação para preparar filmes ultrafinos de tecidos do intestino delgado de ovelhas. Esse tecido biológico foi considerado sem propriedades piezoelétricas em macroescala, mas a equipe de pesquisa da CityU descobriu que, se o material for ultrafino, pode mostrar piezoeletricidade. Com sua biocompatibilidade natural, a equipe acredita que esse biomaterial piezoelétrico provavelmente pode ser usado em várias aplicações biomédicas, como sensores e chips inteligentes.
A pesquisa foi liderada pelo Dr. Yang Zhengbao, Professor Assistente do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE). Suas descobertas foram publicadas na revista acadêmica Advanced Materials , sob o título "Películas ultrafinas de submucosa biopiezoelétricas processadas por esfoliação de Van der Waals".

Potencial aplicação de biomateriais piezoelétricos no campo biomédico

Piezoeletricidade é a eletricidade resultante da aplicação de pressão. Os biomateriais piezoelétricos têm um efeito potencial de piezoeletricidade nos tecidos biológicos, como facilitar a recuperação tecidual e a regeneração óssea, e também podem ser aplicados em sensores e atuadores implantáveis. No entanto, devido ao alto custo e limitações tecnológicas, a maioria das pesquisas sobre piezoeletricidade em tecidos biológicos permanece teórica.

O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2021 foi concedido aos cientistas David Julius e Ardem Patapoutian, que resolveram o mistério da sensação humana de toque e dor. Verificaram que as células percebem a pressão e provocam a sensação de toque através dos efeitos de acoplamento eletromecânico das proteínas Piezo 1 e Piezo 2. De fato, o efeito piezoelétrico é um tipo de efeito de acoplamento eletromecânico, que existe amplamente em tecidos biológicos piezoelétricos, como ossos, lã, tendões e a epiderme.

Por outro lado, a submucosa do intestino delgado (SIS), que é uma camada de tecidos do intestino delgado que sustenta a mucosa e a une à camada muscular, tem sido amplamente investigada. Graças à sua biocompatibilidade e à falta de respostas adversas em transplantes entre espécies, a submucosa do intestino delgado tem grande potencial para aplicações biomédicas e é comumente usada como "scaffolds" para reparar tecidos como tendões. Mas a submucosa do intestino delgado tem efeito piezoelétrico?

"Na década de 1960, o renomado cientista japonês Eiichi Fukada observou um efeito piezoelétrico direto, mas fraco, nos intestinos em nível macroscópico", disse o Dr. Yang. "No entanto, devido às limitações tecnológicas dos equipamentos de medição da época, a determinação quantitativa do efeito piezoelétrico intrínseco não pôde ser demonstrada. Portanto, a razão de sua piezoeletricidade biológica permaneceu um mistério."

Chave para a geração do efeito piezoelétrico

Antes de realmente aplicar o material da submucosa do intestino delgado na engenharia médica, é necessário verificar se ele pode gerar um efeito piezoelétrico e ser medido quantitativamente. Para lidar com essas duas questões-chave, o Dr. Yang e sua equipe investigaram sistematicamente a estrutura da submucosa do intestino delgado de ovelhas e sua piezoeletricidade biológica. Eventualmente, pela primeira vez, a equipe mediu quantitativamente o efeito piezoelétrico intrínseco da submucosa do intestino delgado. Após várias rodadas de medição, a equipe revelou que a chave para a geração do efeito piezoelétrico na submucosa do intestino delgado estava na estrutura hierárquica de suas fibras de colágeno.

"Descobrimos que a submucosa do intestino delgado é formada naturalmente com centenas de camadas de fibras de colágeno, com uma espessura geral de dezenas de milímetros", disse Zhang Zhuomin, Ph.D do Dr. Yang. aluno e o primeiro autor do artigo. "De acordo com nossa pesquisa, é difícil exibir piezoeletricidade no nível macroscópico de espessura em milímetros, pois seu efeito piezoelétrico intrínseco seria cancelado dentro das camadas. Portanto, apenas fraca ou mesmo nenhuma piezoeletricidade é detectada no nível macroscópico. descobriu que tornar a submucosa do intestino delgado mais fina poderia superar o problema do cancelamento e 'recuperar' a piezoeletricidade.

A piezoeletricidade se 'recupera' em estado ultrafino

Um dos avanços alcançados pela equipe nesta pesquisa é a técnica de esfoliação de van der Waals proposta, um método simples de fabricação de filme ultrafino biopiezoelétrico. Inspirada no método de processamento de materiais bidimensionais como o grafeno, a equipe fez uso da força fraca de van der Waals entre as camadas para fabricar um filme ultrafino de camada única ou multicamada da submucosa do intestino delgado. O filme ultrafino produzido por este método de peeling repetido pode atingir uma espessura de 100nm, que é quase 800 vezes mais fina que a do material original não esfoliado.

Usando o filme ultrafino da submucosa do intestino delgado, a equipe realizou um estudo quantitativo sondando a piezoeletricidade biológica e determinou a origem de sua piezoeletricidade biológica.

"Os filmes exibiram um aumento no coeficiente piezoelétrico efetivo com uma diminuição na espessura do filme, até um nível saturado de cerca de 3,3 pm/V", disse o Dr. Yang. "Com base em nossa técnica vdWE, a piezoresposta dos filmes ultrafinos é aumentada em mais de 20 vezes em comparação com os filmes originais não esfoliados. possível a aplicação de tecidos biológicos piezoelétricos."

A equipe de pesquisa também projetou um biossensor para verificar a aplicação prática da piezoeletricidade no filme ultrafino da submucosa do intestino delgado. A equipe descobriu que sua biocompatibilidade natural, flexibilidade e piezoeletricidade o tornam um material promissor e ecologicamente correto para microdispositivos eletromecânicos em eletrônicos implantáveis ​​e vestíveis. A técnica vdWE que a equipe propôs é fácil e ecologicamente correta, e também pode ser aplicada a vários materiais biológicos de tecidos moles com estruturas em camadas de van der Waals, como bexigas de peixe e tendões de Aquiles de vaca. + Explorar mais

Uma possível mudança de paradigma na piezoeletricidade