香港城市大学: 简单剥离实现生物压电突破
研究背景
尽管人们正在努力开发具有优异压电性能的合成材料，但大自然似乎已经掌握这种效应数百万年了。2021年10月揭晓的诺贝尔生理学或医学奖破解了人类的痛觉和触觉奥秘，证实了细胞通过Piezo1和Piezo2蛋白的机电耦合效应感知压力的的机制。各种机电耦合效应其实广泛存在于生物体中，从氨基酸、多肽、病毒和纤维素等压电生物分子，到骨、羊毛、肌腱、和表皮等压电生物组织。压电生物材料由于压电效应对生物组织的潜在作用，以及其对植入式传感器、致动器和能量采集器的极好适用性而引起了人们的极大关注。然而，由于大规模组装和畴排列小生物分子的高成本和复杂性，对其生物压电性的大部分研究仍处于理论水平。此外，由于压电畴的无序和铁电性的缺乏，生物组织在宏观层面上几乎没有表现出压电特性，这限制了其压电性的检测和应用。

成果简介
近期，香港城市大学**保教授课题组提出了一种范德华剥离工艺（vdWE），利用软生物组织层状结构中微弱的范德华相互作用，通过简单的机械剥离制备厚度达到有效压电畴的超薄薄膜（100nm）。在此基础上，该研究团队对范德华层状小肠粘膜下层（SIS）的生物压电性进行了系统研究，首次通过PFM定量测定SIS的固有压电效应，并阐明了其生物压电性的起源。

图文导读
小肠粘膜下层（SIS）是小肠的中间层，支撑粘膜并将其连接到肌肉层。SIS是组织修复和临床前模型中研究最广泛的支架之一。由于其生物相容性和在跨物种移植中无不良反应，它在多用途生物医学应用方面具有巨大潜力。1968年，Fukada在宏观尺度上观察到小肠的直接压电效应。然而，由于SIS在宏观层面上的较弱的压电性以及测量技术的局限性，其固有压电效应的实验定量测定及其生物压电性的起源尚未得到证明。**保教授团队首先对SIS的结构进行了系统性表征，揭示了SIS中富含的胶原蛋白具有从亚纳米级氨基酸到微米级纤维的层次结构 （图1，图2所示）。

图1. 小肠粘膜下层（SIS）的结构表征

图2. AFM观察到的SIS三维形貌显示胶原蛋白原纤维呈现约67nm的D周期性

SIS由胶原纤维交联网络基于弱范德华力作用逐层组装而成。受石墨烯等二维材料加工方法的启发，该团队利用层状SIS中的弱范德华相互作用特性，提出了一种制备SIS超薄膜的vdWE方法。通过vdWE方法（重复剥离）制备的SIS超薄膜由单层或多层胶原纤维网络组成，厚度薄至100nm，为未剥离的原始SIS薄膜厚度的近1/800 (图3所示)。

图3. SIS超薄薄膜的制备过程和表征

该团队基于vdWE制备的SIS超薄膜，进行了定量PFM研究，以探测其生物压电性。图4D显示了SIS超薄膜面外振幅的PFM图像，没有表现出明显的压电响应，而图4E中面内振幅的PFM图像显示了与胶原纤维一致的压电畴。然而，由于SIS厚度和PFM深度分辨率的限制，对于未剥离的原始SIS中的PFM测量，面内信号和面外信号均未显示明显的压电性，这可能会误导得出SIS是非压电的结论。为了进一步研究SIS薄膜厚度对压电性能的影响并验证vdWE技术的有效性，研究人员对不同厚度的SIS薄膜进行了压电响应研究。如图4F所示， SIS薄膜的有效压电系数随着薄膜厚度的减小而增大，直至达到饱和水平约 3.3 pm/V。基于vdWE技术，超薄膜的压电响应比未剥离的原始薄膜增加了20多倍。这些结果引出了关键问题：为什么SIS不表现面外压电？未处理的原始SIS不表现压电响应的内在原因是什么？

图4. SIS超薄薄膜的PFM表征和压电系数测定

为了解答这些问题，研究人员进一步探究了SIS的极化方向，通过在基面上以30°的步长物理旋转样品，对SIS中的面内压电响应进行了角度依赖性研究 （图5所示）。结果表明，在垂直于薄膜表面的电场作用下，SIS的压电响应平行于胶原纤维的纵轴。极性方向应平行于原纤维轴，这表明SIS的压电系数d11=d22确实为0，且至少有一个剪切系数（d15，d14）不为0。

图5. SIS超薄膜的面内压电响应的角度依赖性研究

从以上结果可以得出结论，SIS由于其平面内极化方向和层状反平行压电畴，很难在较厚的宏观尺度表现出压电性。所提出的vdWE方法通过制备SIS超薄膜克服了压电性抵消的问题，从而有助于检测其压电性，并使压电生物组织的应用成为可能。此外，研究人员也设计了一个基于悬臂梁振动的生物传感器验证了SIS超薄膜压电性的实际应用。SIS超薄膜的自然生物相容性、灵活性和压电性使其成为植入式和可穿戴式电子设备中生态友好型机电微器件的理想材料选择。该研究所提出的vdWE技术具备简单、绿色环保等特点，符合当前电子设备小型化的发展趋势，并可以拓展应用到各种具有范德华层状结构的生物软组织材料。

微量元素指占生物体总质量0.01%以下，且为生物体所必需的一些元素。如铁、硅、锌、铜、碘、溴、硒、锰等。微量元素为植物体必需但需求量很少的一些元素。这些元素在土壤中缺少或不能被植物利用时，植物生长不良，过多又容易引起中毒。

在农业中，常以微量元素作种子处理、根外追肥来提高作物产量。这些微量元素在体内的含量虽小，但在生命活动过程中的作用是十分重要的。

镁的作用

1、叶绿素合成及光合作用

镁的主要功能是作为叶绿素a和叶绿素b卟啉环的中心原，在叶绿素合成和光合作用中起重要作用。镁原子同叶绿素分子结合后，才具备吸收光量子的必要结构，才能有效地吸收光量子进行光合反应。

2、蛋白质的合成

镁作为核糖体亚单位联结的桥接元素，能保证核糖体稳定的结构，为蛋白质的合成提供场所。叶片细胞中有大约75%的镁是通过上述作用直接或间接参与蛋白质合成的。

3、酶的活化

植物体中一系列的酶促反应都需要镁或依赖于镁进行调节。镁在ATP或ADP的焦磷酸盐结构和酶分子之间形成一个桥梁，大多数ATP酶的底物是Mg-ATP。在活化磷酸激酶方面，镁比其他离子(如锰)更为有效。

4、镁参与DNA和RNA的生物合成

镁是稳定核糖体颗粒，特别是多核糖体所必需的，也是功能RNA蛋白颗粒进行氨基酸与其他代谢组分按顺序合成蛋白质所必需的。

5、镁能促进Va、Vc的生物合成，提高水果、蔬菜的品质。

锌

锌是植物必需的微量元素之一。锌以阳离子形态被植物吸收。锌在植物中的移动性属中等。同时锌也是许多酶的活化剂，通过对植物碳、氮代谢产生广泛的影响，因此有助于光合作用。

锌的作用

1、 是一些脱氢酶、碳酸酐酶和磷脂酶的组成元素，这些酶对植物体内的物质水解、氧化还原过程和蛋白质合成起重要作用。

2、参与生长素吲哚乙酸的合成，锌在作物体内间接影响着生长素的合成，当作物缺锌时茎和芽中的生长素含量减少，生长处于停滞状态，植株矮小。

3、稳定细胞核糖体的必要成分。

4、参加叶绿素的形成。植物缺锌生长发育停滞、叶片缩小、茎节缩短。中国缺锌土壤较多。缺锌土壤施锌增产效果显著，水稻和玉米尤为突出。

5、同时锌还可增强植物的抗逆性;提高籽粒重量，改变籽实与茎杆的比率。

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