Los materiales piezoeléctricos son aplicables en el campo biomédico, y si pueden ser biocompatibles y degradables, será un gran paso hacia aplicaciones reales. Recientemente, un equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) desarrolló un método de exfoliación simple para preparar películas ultrafinas de tejidos del intestino delgado de ovejas. Se ha considerado que este tejido biológico no tiene propiedades piezoeléctricas a macroescala, pero el equipo de investigación de CityU descubrió que si el material es ultrafino, puede mostrar piezoelectricidad. Con su biocompatibilidad natural, el equipo cree que dicho biomaterial piezoeléctrico probablemente se pueda usar en varias aplicaciones biomédicas, como sensores y chips inteligentes.

La investigación fue dirigida por el Dr. Yang Zhengbao, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE). Sus hallazgos fueron publicados en la revista académica Advanced Materials , bajo el título "Películas ultrafinas submucosas biopiezoeléctricas procesadas con exfoliación de Van der Waals".

Potencial aplicación de biomateriales piezoeléctricos en el campo biomédico

La piezoelectricidad es la electricidad resultante de la aplicación de presión. Los biomateriales piezoeléctricos tienen un efecto potencial de la piezoelectricidad en los tejidos biológicos, como facilitar la recuperación de tejidos y la regeneración ósea, y también se pueden aplicar en sensores y actuadores implantables. Sin embargo, debido al alto costo y las limitaciones tecnológicas, la mayor parte de la investigación sobre piezoelectricidad en tejidos biológicos sigue siendo teórica.

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2021 fue otorgado a los científicos David Julius y Ardem Patapoutian, quienes resolvieron el misterio de la sensación humana del tacto y el dolor. Verificaron que las células perciben la presión y provocan la sensación del tacto a través de los efectos de acoplamiento electromecánico de las proteínas Piezo 1 y Piezo 2. De hecho, el efecto piezoeléctrico es un tipo de efecto de acoplamiento electromecánico, que existe ampliamente en tejidos biológicos piezoeléctricos, como huesos, lana, tendones y la epidermis.

Por otro lado, la submucosa del intestino delgado (SIS), que es una capa de tejido del intestino delgado que sostiene la mucosa y la une a la capa muscular, ha sido ampliamente investigada. Gracias a su biocompatibilidad y la falta de respuestas adversas en trasplantes de especies cruzadas, la submucosa del intestino delgado tiene un gran potencial para aplicaciones biomédicas y se usa comúnmente como un "andamio" para reparar tejidos como los tendones. Pero, ¿la submucosa del intestino delgado tiene un efecto piezoeléctrico?

"En la década de 1960, el renombrado científico japonés Eiichi Fukada observó un efecto piezoeléctrico directo pero débil en los intestinos a nivel macroscópico", dijo el Dr. Yang. "Sin embargo, debido a las limitaciones tecnológicas de los equipos de medición en ese momento, no se pudo demostrar la determinación cuantitativa del efecto piezoeléctrico intrínseco. Por lo tanto, la razón de su piezoelectricidad biológica seguía siendo un misterio".

Clave para la generación del efecto piezoeléctrico

Antes de aplicar material de submucosa de intestino delgado en ingeniería médica, es necesario verificar si puede generar un efecto piezoeléctrico y medirse cuantitativamente. Para abordar estos dos problemas clave, el Dr. Yang y su equipo investigaron sistemáticamente la estructura de la submucosa del intestino delgado de las ovejas y su piezoelectricidad biológica. Finalmente, por primera vez, el equipo midió cuantitativamente el efecto piezoeléctrico intrínseco de la submucosa del intestino delgado. Después de varias rondas de medición, el equipo reveló que la clave para la generación del efecto piezoeléctrico en la submucosa del intestino delgado radica en la estructura jerárquica de sus fibras de colágeno.

"Descubrimos que la submucosa del intestino delgado se forma naturalmente con cientos de capas de fibras de colágeno, con un grosor general de decenas de milímetros", dijo Zhang Zhuomin, Ph.D. del Dr. Yang. estudiante y el primer autor del artículo. "Según nuestra investigación, es difícil exhibir piezoelectricidad a nivel macroscópico de espesor en milímetros, ya que su efecto piezoeléctrico intrínseco se cancelaría dentro de las capas. Por lo tanto, solo se detecta piezoelectricidad débil o incluso nula a nivel macroscópico. Nosotros descubrió que hacer que la submucosa del intestino delgado sea más delgada podría superar el problema de la cancelación y 'recuperar' la piezoelectricidad. Esto nos llevó a desarrollar el método propuesto de exfoliación de van der Waals (vdWE) para fabricar una película ultrafina a partir de la submucosa del intestino delgado".

La piezoelectricidad se 'recupera' en estado ultrafino

Uno de los avances logrados por el equipo en esta investigación es la técnica de exfoliación propuesta por van der Waals, un método simple para fabricar películas ultrafinas biopiezoeléctricas. Inspirándose en el método de procesamiento de materiales bidimensionales como el grafeno, el equipo utilizó la débil fuerza de van der Waals entre capas para fabricar una película ultrafina de una o varias capas de la submucosa del intestino delgado. La película ultrafina producida por este método de pelado repetido puede alcanzar un espesor de 100 nm, que es casi 800 veces más delgada que la del material original no exfoliado.

Usando una película ultrafina preparada de la submucosa del intestino delgado, el equipo realizó un estudio cuantitativo para probar la piezoelectricidad biológica y determinó el origen de su piezoelectricidad biológica.

"Las películas exhibieron un aumento en el coeficiente piezoeléctrico efectivo con una disminución en el espesor de la película, hasta un nivel de saturación de alrededor de 3,3 pm/V", dijo el Dr. Yang. "Según nuestra técnica vdWE, la piezorrespuesta de las películas ultrafinas aumenta más de 20 veces en comparación con las películas originales no exfoliadas. Dado que el problema de la cancelación de la piezoelectricidad se supera en la película ultrafina, podemos detectar la piezoelectricidad, lo que hace posible la aplicación de tejidos biológicos piezoeléctricos".

El equipo de investigación también diseñó un biosensor para verificar la aplicación práctica de la piezoelectricidad en la película ultrafina de la submucosa del intestino delgado. El equipo descubrió que su biocompatibilidad, flexibilidad y piezoelectricidad naturales lo convierten en un material prometedor y ecológico para microdispositivos electromecánicos en dispositivos electrónicos implantables y portátiles. La técnica vdWE que propuso el equipo es sencilla y respetuosa con el medio ambiente, y también se puede aplicar a varios materiales biológicos de tejidos blandos con estructuras en capas de van der Waals, como vejigas de pescado y tendones de Aquiles de vaca. + Explora más

Un posible cambio de paradigma dentro de la piezoelectricidad