과학자들이 이식 가능한 의료 기기를 위한 새로운 흡수성 생체 재료를 발명했습니다.

Aug 31, 2023

2023년 8월 10일 대화상자

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장주오민(Zhuomin Zhang)

손상된 동맥을 지속적으로 모니터링하고, 뼈 재생 및 상처 치유를 가속화하거나, 암 치료를 위한 약물 전달을 촉진할 수 있는 작은 장치가 우리 몸에 있다면 어떨까요? 이는 인간의 질병을 치료하고 생물학의 한계를 넘어서는 능력을 향상시킬 수 있는 놀라운 기회를 열어줄 수 있습니다.

근육 스트레칭, 호흡, 혈류 및 작은 움직임과 같은 신체 움직임으로 인해 발생하는 기계적 스트레스를 통해 전기 신호를 생성할 수 있는 압전 생체 재료를 사용하여 이러한 장치를 만들 수 있습니다. 배터리가 필요하지 않으며 목적이 달성되면 체내에서 안전하게 용해되도록 설계됩니다.

2021년 노벨 생리의학상은 인간의 촉각과 통증 감각의 미스터리를 풀어낸 과학자 데이비드 줄리우스(David Julius)와 아르뎀 파타포티안(Ardem Patapoutian)에게 수여되었습니다. 그들은 Piezo 1과 Piezo 2 단백질의 전기기계적 결합 효과를 통해 세포가 압력을 감지하고 촉감을 이끌어낸다는 것을 확인했습니다. 우리는 이 위대한 발견에서 영감을 얻었으며 압전 생체 재료 및 실제 응용 프로그램으로 유도합니다.

현재 대부분의 압전재료는 단단하고 부서지기 쉬우며, 일부에는 독성물질을 함유하고 있어 인체에 이식하기에는 부적합하다. 압전 생체 재료는 자연적으로 생체 적합성, 신뢰성 및 흡수성을 나타내기 때문에 유망한 대안입니다.

그러나 뼈나 나무 등 천연 압전 생체재료는 무질서한 방향성으로 인해 압전 강도가 약하다. 이로 인해 실제 응용 프로그램에 적합하지 않게 됩니다. 따라서 압전 생체재료의 질서를 형성하고 압전효과를 향상시키는 것이 매우 중요하다. 그러나 올바르게 기능하는 데 필요한 정렬된 방향으로 대규모로 생체분자를 조작하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다.

여기에서 우리는 시너지적 나노감속과 현장 전기장을 통해 생체분자가 동일한 방향으로 넓은 영역에 걸쳐 자가 조립될 수 있도록 하는 일반화 가능한 전략을 제시했습니다. 생체분자 필름은 대부분 보고된 생체 유기 필름보다 우수한 압전 강도가 균일하게 높은 조밀하고 조밀한 구조를 보여줍니다.

또한, 나노감속 효과로 인해 이러한 나노결정 필름의 열안정성은 벌크 결정에 비해 크게 향상되었습니다(파괴 온도가 67°C에서 192°C로 상승했습니다).

실제로 우리는 2022년에 이미 Advanced Materials에 "van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films"라는 제목의 생체 압전 조직에 대한 연구를 발표했습니다. 이 연구에서 우리는 반 데르 발스 층 소장 점막하층(SIS)의 생체 압전성을 체계적으로 연구했습니다.

우리는 최초로 첨단 압전응답현미경(PFM)을 사용하여 SIS 고유의 압전성을 정량적으로 결정하고 생체압전성의 기원을 밝혀냈습니다. 우리는 간단한 기계적 박리를 통해 효과적인 압전 영역을 갖는 초박막(100nm)을 제조하기 위해 층상 연생물 조직에서 약한 반 데르 발스 상호 작용을 사용하는 반 데르 발스 박리 공정(vdWE)을 제안했습니다.