Imaginez de minuscules capteurs de force piézoélectriques, placés à l'intérieur du corps : ils surveillent les variations de pression physiologique dans les organes endommagés, facilitent l'administration précise de médicaments ou favorisent la réparation et la régénération des tissus. Le plus ? Ils nécessitent pas de batterie , et après utilisation, le corps les absorbe et les dégrade , éliminant ainsi le besoin d'une chirurgie d'ablation invasive !

Cependant, les matériaux piézoélectriques traditionnels, comme les céramiques inorganiques et les polymères organiques, souffrent d'une dégradabilité et d'une cytotoxicité insuffisantes. Les scientifiques ont identifié les cristaux d'acides aminés comme un candidat prometteur. biocompatible et exposer excellent piézoélectrique propriétés Le défi ? Ces cristaux sont trop petits, comme du sable dispersé, ce qui rend extrêmement difficile leur alignement en dispositifs fonctionnels.

Les chercheurs Yi Cao et Bin Xue de l'Université de Nanjing ont trouvé une solution : une technique spéciale appelée « Recuit mécanique En utilisant des cristaux d'acides aminés naturels comme matériau piézoélectrique, ils ont conçu des capteurs de force piézoélectriques entièrement organiques et biodégradables. Traités par recuit mécanique, les cristaux ont vu leur capacité de production d'énergie exploser, atteignant un coefficient piézoélectrique 12 fois supérieur à celui des poudres monocristallines ! De plus, les films cristallins traités sont devenus lisses et plats, comme un film protecteur d'écran de téléphone, améliorant considérablement le contact avec les électrodes et permettant des signaux électriques plus puissants et plus stables.

Le résultat " capteurs de force piézoélectriques résorbables ", une fois emballés, ont été implantés in vivo et ont surveillé avec succès les mouvements dynamiques comme les contractions musculaires et la respiration pulmonaire en continu pendant 4 semaines . Ensuite, ils dégradé progressivement sans provoquer d'inflammation ou de toxicité systémique Cette avancée offre un nouvel espoir pour la médecine du futur, en ouvrant la voie à la conception et à la fabrication de capteurs de force entièrement organiques et biodégradables pour des applications cliniques potentielles !

Fabrication du capteur de force emballé :

Préparation de films cristallins recuits mécaniquement : L'isoleucine a été dissoute dans de l'eau déionisée pour former une solution, chauffée, puis transférée dans un bain d'eau glacée pour laisser reposer les noyaux cristallins. Les cristaux ont ensuite été recueillis et séchés à l'étuve. Les cristaux d'isoleucine ainsi préparés ont été introduits dans un moule à comprimés et soumis au processus de recuit mécanique, ce qui a donné des cristaux ronds et filmogènes. D'autres cristaux d'acides aminés et leurs homologues recuits mécaniquement ont été préparés selon la même méthode.

Préparation des électrodes PLA-PAN : De l'acide polylactique (PLA) a été dissous dans du dichlorométhane (DCM) pour former des films de PLA, servant de « membrane protectrice » externe au capteur. Mais une membrane seule ne suffit pas ; les capteurs ont besoin d'électrodes pour capter les signaux électriques faibles. Les chercheurs ont eu une astuce : ils ont immergé une face du film de PLA dans une « solution réactive » (contenant de l'acide sulfurique et de l'aniline). Après traitement, la surface du film de PLA, initialement isolante, s'est recouverte d'une couche conductrice de polyaniline (PAN), la transformant en une « électrode composite PLA-PAN » à double fonction : protectrice et conductrice.

Intégration du « noyau de puissance » : film de cristal piézoélectrique : Le film de cristal d'acide aminé recuit mécaniquement constitue le cœur du capteur et convertit la pression en signaux électriques. Un film PLA carré percé d'un trou central a été préparé. Le film cristal a été placé dans ce trou, créant ainsi une couche sandwich. Les électrodes PLA-PAN ont été découpées en films carrés, et la couche sandwich a été placée entre elles. Pour assurer une étanchéité parfaite, une colle PLA spéciale (également à base de PLA dissous) a été soigneusement appliquée sur tous les bords et surfaces, enveloppant ainsi le sandwich dans un film alimentaire. Une fois la colle sèche, un capteur de force complet, étanche et conditionné était né !

Optimisation pour une utilisation in vivo : Pour la version réellement destinée à l’implantation, les scientifiques ont réalisé des optimisations clés : Pour améliorer la biodégradabilité , un chlorhydrate d'amine de polyéthylène glycol à huit bras( PEG-NH à 8 bras ₂ ·HCl (SUC) ) a été mélangé à la solution de PLA, et le film cristallin a été placé directement entre les deux électrodes PLA-PAN (en omettant la couche intermédiaire de film PLA), scellé avec de la colle PLA. Le polyéthylène glycol et ses dérivés font partie des rares polymères certifiés par la Food and Drug Administration (FDA) américaine pour les produits biomédicaux, connus pour leur cytotoxicité extrêmement faible et leur excellente biocompatibilité.

Performance et importance :

La validation expérimentale a confirmé que les capteurs de force piézoélectriques conçus possèdent une excellente biocompatibilité, une stabilité à long terme et une biodégradabilité. Cette étude est la première à proposer la stratégie de recuit mécanique, permettant la fabrication de matériaux cristallins d'isoleucine à grande échelle et hautement ordonnés.

Cette méthode est polyvalente et peut être étendue à la conception et à la fabrication d'autres films piézoélectriques à base de biomatériaux. L'agencement très ordonné de la phase cristalline au sein du film améliore considérablement son coefficient piézoélectrique macroscopique, tandis que la surface plane et lisse assure une connexion étroite avec les électrodes en polymère conducteur. Par conséquent, les capteurs de force intégrés présentent une sensibilité élevée et une large plage de détection de force.

Récemment, des chercheurs ont exploré divers nouveaux cristaux biomoléculaires utilisant des peptides et leurs dérivés, dont les coefficients piézoélectriques dépassent largement ceux des matériaux utilisés dans cette étude. Compte tenu de la polyvalence de la technique de recuit mécanique, le remplacement de l'isoleucine par ces nouveaux biomatériaux piézoélectriques est très prometteur pour améliorer encore les performances des capteurs de force biodégradables à base d'acides aminés.

Le PEG-NH à 8 bras ₂ ·Le HCl (SUC) utilisé dans cette étude provient de Xiamen Sinopeg Biotech Co., Ltd. Sinopeg propose une variété de produits structurés à huit branches (SUC). N'hésitez pas à nous contacter !

Référence:

Cheng, Yuanqi, et al. « Augmentation de la sensibilité piézoélectrique des cristaux d'acides aminés par recuit mécanique pour la conception de capteurs de force entièrement dégradables. » Advanced Science 10.11 (2023) : 2207269.