7 июля 2021 года

Новая нанотехнология, разработанная международной исследовательской группой под руководством исследователей Тель-Авивского университета, позволит генерировать электрические токи и напряжение в человеческом теле за счет активации различных органов (механическая сила).

Исследователи объясняют, что при разработке используется новый и очень прочный биологический материал, похожий на коллаген, который нетоксичен и не причиняет вреда тканям организма. Исследователи полагают, что эта новая нанотехнология имеет множество потенциальных применений в медицине, включая сбор чистой энергии для работы устройств, имплантированных в тело (например, кардиостимуляторов), посредством естественных движений тела, устраняя необходимость в батареях.

Исследование проводилось профессором Эхудом Газитом из Школы биомедицины и исследований рака Шмуниса факультета наук о жизни Мудрого, факультета материаловедения и инженерии инженерного факультета Флейшмана и Центра нанонауки и нанотехнологий. вместе с его командой лаборатории, доктором Санту Бера и доктором Вей Джи.

В исследовании также приняли участие исследователи из института Вейцмана и ряда исследовательских институтов в Ирландии, Китае и Австралии. В результате своих выводов исследователи получили два гранта ERC-POC, нацеленных на использование научных исследований из гранта ERC, который Газит ранее выиграл для прикладных технологий. Исследование было опубликовано в престижном журнале Nature Communications .

Проф. Газит, который также является директором-основателем BLAVATNIK CENTER по открытию лекарств, объясняет: «Коллаген – это самый распространенный белок в организме человека, составляющий около 30% всех белков в нашем организме. Это биологический материал. со спиральной структурой и множеством важных физических свойств, таких как механическая прочность и гибкость, которые полезны во многих приложениях. Однако, поскольку сама молекула коллагена большая и сложная, исследователи давно искали минималистичный, короткий и простой молекула, основанная на коллагене и обладающая аналогичными свойствами. Около полутора лет назад в журнале Nature Materials наша группа опубликовала исследование, в котором мы использовали нанотехнологические средства для создания нового биологического материала, отвечающего этим требованиям. трипептид – очень короткая молекула под названием Hyp-Phe-Phe, состоящая всего из трех аминокислот, способная к простому процессу самосборки с образованием коллагеноподобной спиральной структуры. re, который является гибким и может похвастаться прочностью, аналогичной прочности металлического титана. В настоящем исследовании мы стремились выяснить, имеет ли новый материал, который мы разработали, еще одну особенность, которая характеризует коллаген, – пьезоэлектричество. Пьезоэлектричество – это способность материала генерировать электрические токи и напряжение в результате приложения механической силы или, наоборот, создавать механическую силу в результате воздействия электрического поля ».

В ходе исследования исследователи создали нанометрические структуры из сконструированного материала и с помощью передовых инструментов нанотехнологии оказали на них механическое давление. Эксперимент показал, что материал действительно производит электрические токи и напряжение в результате давления. Более того, крошечные структуры размером всего в сотни нанометров продемонстрировали один из самых высоких уровней пьезоэлектрической способности, когда-либо обнаруженных, сравнимый или превосходящий таковой у пьезоэлектрических материалов, обычно встречающихся на сегодняшнем рынке (большинство из которых содержат свинец и поэтому не подходят для медицинских приложений). .

По мнению исследователей, открытие пьезоэлектричества такой величины в нанометровом материале имеет большое значение, поскольку оно демонстрирует способность сконструированного материала служить своего рода крошечным двигателем для очень маленьких устройств. Затем исследователи планируют применить кристаллографию и вычислительные квантово-механические методы (теория функционала плотности), чтобы получить глубокое понимание пьезоэлектрического поведения материала и, таким образом, обеспечить точную инженерию кристаллов для создания биомедицинских устройств.

Проф. Газит добавляет: «Большинство пьезоэлектрических материалов, о которых мы знаем сегодня, являются токсичными материалами на основе свинца или полимерами, что означает, что они не безопасны для окружающей среды и человеческого тела. Однако наш новый материал является полностью биологическим и, следовательно, подходит для использования в организме. Например, устройство, изготовленное из этого материала, может заменить батарею, которая снабжает энергией имплантаты, такие как кардиостимуляторы, хотя ее следует время от времени заменять. Движения тела – например, сердцебиение, движения челюстей, испражнения и т. д. или любое другое движение, которое происходит в теле на регулярной основе – зарядит устройство электричеством, которое будет непрерывно активировать имплант ».

Сейчас, в рамках продолжающихся исследований, исследователи стремятся понять молекулярные механизмы созданного материала с целью реализации его огромного потенциала и превращения этого научного открытия в прикладную технологию. На данном этапе основное внимание уделяется разработке медицинских устройств, но профессор Газит подчеркивает, что «экологически чистые пьезоэлектрические материалы, такие как тот, который мы разработали, обладают огромным потенциалом в широком диапазоне областей, поскольку они производят экологически чистые материалы. энергия с помощью механической силы, которая используется в любом случае. Например, автомобиль, едущий по улице, может включить уличные фонари. Эти материалы могут также заменить содержащие свинец пьезоэлектрические материалы, которые в настоящее время широко используются, но вызывают опасения по поводу утечки токсичный металл в окружающую среду ».

Источник: https://english.tau.ac.il/