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新纳米科技:可在人体内产生“健康”电流

用新型纳米生物压电材料制造的装置,有望替代人体植入设备中需要频繁更换的电池。

phys.org网站当地时间7月6日报道,一个由以色列特拉维夫大学领导的国际团队开发了一种全新的纳米技术。该技术通过激活各种器官(机械力),在人体内产生了“健康”的电流和电压。研究人员表示,新技术的关键是一种新型生物材料,它与胶原蛋白的性质类似,具有无毒、不伤害人体组织等特点。这种纳米技术在医学领域具有良好的应用前景,比如,它可以通过收集人体的自然运动来维持植入设备(如起搏器)的运行,从而消除对电池的依赖。相关研究成果刊登在《自然通讯》杂志中。

研究人员Ehud Gazit教授说:“胶原蛋白是人体中最常见的蛋白质之一,占人体总蛋白的30%左右。它具有螺旋结构和多种重要物理性能,在生物材料中应用广泛。然而,胶原蛋白的分子又大又复杂,研究人员一直希望找到一种与之类似、但结构更加简单的替代分子。此前,我们团队在《自然・材料》杂志中报道了一种纳米生物材料――Hyp-Phe-Phe。这种三肽只包含3个氨基酸,且能通过简单的自组装行为形成类胶原蛋白的螺旋结构。螺旋结构非常灵活,强度与金属钛接近。在此次研究中,我们尝试着检视新材料是否具有压电性。压电性能是指材料在机械力作用下产生电流和电压的能力,或者在电场作用下产生机械力的性能。”实验结果表明,在压力作用下,纳米材料产生了电流和电压。更重要的是,材料表现出了创纪录的高压电性能,能与市面上常见的压电材料相媲美。

研究人员指出,在纳米材料中发现高强度压电效应具有重要意义,因为它证实了工程材料作为微型马达的可行性。Gazit教授说:“现有的大多数压电材料都是有毒的含铅材料或聚合物,而我们开发的新材料完全无毒,能够在人体内应用。例如,用这种材料制成的设备能够替代心脏起搏器的电池。人体运动,包括心跳、颌动、排泄或其他任何有规律的运动,都可为装置充电,并持续激活植入装置。”

接下来,研究人员计划应用晶体学和计算量子力学方法(密度泛函理论),对材料的压电行为展开深入研究,从而使精确晶体工程服务于生物医学设备的构建。

科界原创

编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:https://phys.org/news/2021-07-nanotech-enable-healthy-electric-current.html

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