Angesichts der anhaltenden Nachfrage nach Bio-MEMS, tragbarer/implantierbarer Elektronik und Biogewebe-Therapeutika ist die Suche nach piezoelektrischen Biomaterialien aufgrund ihrer bemerkenswerten elektromechanischen Eigenschaften, Biokompatibilität und Bioresorbierbarkeit zu einer Priorität geworden.
Ihr technologisches Potenzial wird jedoch durch die Herausforderungen der präzisen Manipulation von Nanobiomolekülen, der Kontrolle ihres Wachstums über die Nano-zu-Makro-Hierarchie und der Abstimmung gewünschter mechanischer Eigenschaften eingeschränkt.
Seit der Entdeckung der biologischen Piezoelektrizität in Wolle und Haaren im Jahr 1941 haben sich Versuche, die Piezoelektrizität in Biomaterialien durch externe elektrische Polung zu aktivieren, als weitgehend erfolglos erwiesen. 80 Jahre lang wurde diese Herausforderung nicht angegangen und es entstand eine große Lücke zwischen piezoelektrischen Biomaterialien für Labore und praktischen Biogeräten.
Unser Forschungsteam unter der Leitung der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat eine bahnbrechende Technologie entwickelt, die thermisch-elektrisch ausgelöste Aerosole zur Herstellung flexibler piezoelektrischer Biofilme nutzt. Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.
Das TEA-Druckverfahren. Bildnachweis: Li Xuemu
Der entwickelte thermoelektrische Aerosoldrucker (TEA) ist in der Lage, piezoelektrische Biofilme für die Herstellung miniaturisierter/flexibler Bioelektronik, tragbarer/implantierbarer Mikrogeräte und Biogewebe in einem Schritt, mit hoher Geschwindigkeit und von Rolle zu Rolle zu drucken Therapeutika, die die Möglichkeit der industriellen Herstellung piezoelektrischer Biofilme bieten.
Die Kombination aus Top-Down-Designfreiheit, die die additive Fertigung bietet, und Bottom-Up-Kontrolle über Nanobiomoleküle zeigt die Machbarkeit und die grenzenlosen Aussichten, die Lücke zwischen piezoelektrischen Laborbiomaterialien und praktischen Biogeräten zu schließen.
Herkömmliche biomolekulare Montagemethoden erfordern oft eine lange Selbstausrichtungszeit (von ~0,5 h bis ~48 h), was nicht nur Schwierigkeiten bei der Hochgeschwindigkeitsfertigung mit sich bringt, sondern auch zu unerwünschten Strukturdefekten führt.
Im Gegensatz dazu ermöglicht der TEA-Drucker, der elektrohydrodynamische Aerosolisierung und elektrische In-situ-Polierung nutzt, eine Drucklänge von ca. 8.600 mm pro Tag, zwei Größenordnungen schneller als die bestehenden Techniken.
Die von uns hergestellten Glycin/Polyvinylpyrrolidon-Filme weisen einen piezoelektrischen Spannungskoeffizienten von 190 × 10−3 Voltmetern pro Newton auf und übertreffen damit den des weit verbreiteten Industriestandards Bleizirkonat-Titanat um etwa das Zehnfache. Darüber hinaus zeigen diese Filme im Vergleich zu Glycinkristallen eine Verbesserung der mechanischen Flexibilität um fast zwei Größenordnungen.
Unser TEA-Drucker zeigt Druckfähigkeiten für ein breites Spektrum an Biomaterialien wie Glycin, Chitosan und Poly(L-Milchsäure). Die nächste Forschungsphase wird sich auf die Nutzung der TEA-Druck- und piezoelektrischen Biomaterialbibliotheken sowie auf maschinelles Lernen gestützte Designstrategien konzentrieren, um die Entwicklung eines breiten Spektrums piezoelektrischer Biomaterialien für flexible Bioelektronik und Biogewebetherapeutika zu beschleunigen.
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Weitere Informationen:
Xuemu Li et al., Einstufiger thermoelektrischer Hochgeschwindigkeits-Aerosoldruck von piezoelektrischen bioorganischen Filmen zur drahtlosen Stromversorgung der Bioelektronik, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq3195
Li Xuemu ist jetzt Postdoc-Stipendiat im Maschinenbau an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST). Seine Forschungsinteressen umfassen fortschrittliche Fertigung, Piezoelektrizität/Ferroelektrizität, Biomaterialien, flexible Elektronik und Soft-Robotik, biomedizinische Technik, MEMS, Sensoren, Energiegewinnung und Ultraschallwandler.