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**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**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。