2021年10月揭曉的諾貝爾生理學或醫學獎破解了人類的痛覺和觸覺奧秘，證實了細胞通過Piezo1和Piezo2蛋白的機電耦合效應感知壓力的的機制。各種機電耦合效應其實廣泛存在于生物體中，從氨基酸、多肽、病毒和纖維素等壓電生物分子，到骨、羊毛、肌腱、和表皮等壓電生物組織。壓電生物材料由于壓電效應對生物組織的潛在作用，以及其對植入式傳感器、致動器和能量采集器的極好適用性而引起了人們的極大關注。然而，由于大規模組裝和疇排列小生物分子的高成本和復雜性，對其生物壓電性的大部分研究仍處于理論水平。此外，由于壓電疇的無序和鐵電性的缺乏，生物組織在宏觀層面上幾乎沒有表現出壓電特性，這限制了其壓電性的檢測和應用。
小腸粘膜下層（SIS）是小腸的中間層，支撐粘膜并將其連接到肌肉層。SIS是組織修復和臨床前模型中研究最廣泛的支架之一。由于其生物相容性和在跨物種移植中無不良反應，它在多用途生物醫學應用方面具有巨大潛力。1968年，Fukada在宏觀尺度上觀察到小腸的直接壓電效應。然而，由于SIS在宏觀層面上的較弱的壓電性以及測量技術的局限性，其固有壓電效應的實驗定量測定及其生物壓電性的起源尚未得到證明。楊征保教授團隊首先對SIS的結構進行了系統性表征，揭示了SIS中富含的膠原蛋白具有從亞納米級氨基酸到微米級纖維的層次結構 （圖1，圖2所示）。
圖1. 小腸粘膜下層（SIS）的結構表征
圖2. AFM觀察到的SIS三維形貌顯示膠原蛋白原纖維呈現 約67nm的D周期性
圖3. SIS超薄薄膜的制備過程和表征
該團隊基于vdWE制備的SIS超薄膜，進行了定量PFM研究，以探測其生物壓電性。圖4D顯示了SIS超薄膜面外振幅的PFM圖像，沒有表現出明顯的壓電響應，而圖4E中面內振幅的PFM圖像顯示了與膠原纖維一致的壓電疇。然而，由于SIS厚度和PFM深度分辨率的限制，對于未剝離的原始SIS中的PFM測量，面內信號和面外信號均未顯示明顯的壓電性，這可能會誤導得出SIS是非壓電的結論。為了進一步研究SIS薄膜厚度對壓電性能的影響并驗證vdWE技術的有效性，研究人員對不同厚度的SIS薄膜進行了壓電響應研究。如圖4F所示， SIS薄膜的有效壓電系數隨著薄膜厚度的減小而增大，直至達到飽和水平約 3.3 pm/V；vdWE技術，超薄膜的壓電響應比未剝離的原始薄膜增加了20多倍。這些結果引出了關鍵問題：為什么SIS不表現面外壓電？未處理的原始SIS不表現壓電響應的內在原因是什么？
圖4. SIS超薄薄膜的PFM表征和壓電系數測定
為了解答這些問題，研究人員進一步探究了SIS的極化方向，通過在基面上以30°的步長物理旋轉樣品，對SIS中的面內壓電響應進行了角度依賴性研究 （圖5所示）。結果表明，在垂直于薄膜表面的電場作用下，SIS的壓電響應平行于膠原纖維的縱軸。極性方向應平行于原纖維軸，這表明SIS的壓電系數d11=d22確實為0，且至少有一個剪切系數（d15，d14）不為0。
圖5. SIS超薄膜的面內壓電響應的角度依賴性研究
從以上結果可以得出結論，SIS由于其平面內極化方向和層狀反平行壓電疇，很難在較厚的宏觀尺度表現出壓電性。所提出的vdWE方法通過制備SIS超薄膜克服了壓電性抵消的問題，從而有助于檢測其壓電性，并使壓電生物組織的應用成為可能。此外，研究人員也設計了一個基于懸臂梁振動的生物傳感器驗證了SIS超薄膜壓電性的實際應用。SIS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生態友好型機電微器件的理想材料選擇。該研究所提出的vdWE技術具備簡單、綠色環保等特點，符合當前電子設備小型化的發展趨勢，并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。
楊征保教授研究團隊持續招博士和博士后，感興趣者可以訪問課題組網站并聯系。
課題組網站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/
原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202200864
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