Les matériaux piézoélectriques sont applicables dans le domaine biomédical, et s'ils peuvent être biocompatibles et dégradables, ce sera un grand pas vers de véritables applications. Récemment, une équipe de recherche de la City University of Hong Kong (CityU) a mis au point une méthode d'exfoliation simple pour préparer des films ultrafins de tissus de l'intestin grêle de moutons. Ce tissu biologique a été considéré comme n'ayant pas de propriétés piézoélectriques à l'échelle macro, mais l'équipe de recherche de CityU a découvert que si le matériau est ultra fin, il peut montrer de la piézoélectricité. Avec sa biocompatibilité naturelle, l'équipe pense qu'un tel biomatériau piézoélectrique peut probablement être utilisé dans diverses applications biomédicales, telles que les capteurs et les puces intelligentes.

La recherche a été dirigée par le Dr Yang Zhengbao, professeur adjoint au Département de génie mécanique (MNE). Leurs conclusions ont été publiées dans la revue académique Advanced Materials , sous le titre "Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films."

Application potentielle des biomatériaux piézoélectriques dans le domaine biomédical

La piézoélectricité est l'électricité résultant de l'application d'une pression. Les biomatériaux piézoélectriques ont un effet potentiel de la piézoélectricité sur les tissus biologiques, tels que la facilitation de la récupération tissulaire et la régénération osseuse, et peuvent également être appliqués dans des capteurs et actionneurs implantables. Cependant, en raison du coût élevé et des limites technologiques, la plupart des recherches sur la piézoélectricité sur les tissus biologiques restent théoriques.

Le prix Nobel de physiologie ou médecine 2021 a été décerné aux scientifiques David Julius et Ardem Patapoutian, qui ont résolu le mystère de la sensation humaine du toucher et de la douleur. Ils ont vérifié que les cellules ressentent la pression et suscitent la sensation de toucher grâce aux effets de couplage électromécanique des protéines Piezo 1 et Piezo 2. En fait, l'effet piézoélectrique est un type d'effet de couplage électromécanique, qui existe largement dans les tissus biologiques piézoélectriques, tels que les os, la laine, les tendons et l'épiderme.

D'autre part, la petite sous-muqueuse intestinale (SIS), qui est une couche de tissus de l'intestin grêle qui soutient la muqueuse et la relie à la couche musculaire, a été largement étudiée. Grâce à sa biocompatibilité et à l'absence de réactions indésirables dans les greffes d'espèces croisées, la sous-muqueuse de l'intestin grêle a un grand potentiel pour les applications biomédicales et est couramment utilisée comme "échafaudages" pour réparer les tissus comme les tendons. Mais la sous-muqueuse de l'intestin grêle a-t-elle un effet piézoélectrique ?

"Dans les années 1960, le célèbre scientifique japonais Eiichi Fukada a observé un effet piézoélectrique direct mais faible dans les intestins au niveau macroscopique", a déclaré le Dr Yang. "Cependant, en raison des limitations technologiques des équipements de mesure à l'époque, la détermination quantitative de l'effet piézoélectrique intrinsèque n'a pas pu être démontrée. La raison de sa piézoélectricité biologique est donc restée un mystère."

Clé de la génération de l'effet piézoélectrique

Avant d'appliquer réellement le matériau de la sous-muqueuse de l'intestin grêle en génie médical, il est nécessaire de vérifier s'il peut générer un effet piézoélectrique et être mesuré quantitativement. Pour aborder ces deux questions clés, le Dr Yang et son équipe ont systématiquement étudié la structure de la sous-muqueuse de l'intestin grêle du mouton et sa piézoélectricité biologique. Finalement, pour la première fois, l'équipe a mesuré quantitativement l'effet piézoélectrique intrinsèque de la sous-muqueuse de l'intestin grêle. Après plusieurs séries de mesures, l'équipe a révélé que la clé de la génération de l'effet piézoélectrique dans la sous-muqueuse de l'intestin grêle résidait dans la structure hiérarchique de ses fibres de collagène.

"Nous avons découvert que la sous-muqueuse de l'intestin grêle est naturellement formée de centaines de couches de fibres de collagène, d'une épaisseur générale de dizaines de millimètres", a déclaré Zhang Zhuomin, Ph.D. du Dr Yang. étudiant et premier auteur de l'article. "Selon nos recherches, il est difficile d'exposer la piézoélectricité au niveau macroscopique d'épaisseur en millimètres, car son effet piézoélectrique intrinsèque serait annulé au sein des couches. Par conséquent, seule une piézoélectricité faible, voire aucune, n'est détectée au niveau macroscopique. Nous a découvert que l'amincissement de la sous-muqueuse de l'intestin grêle pouvait résoudre le problème de l'annulation et de la "récupération" de la piézoélectricité. Cela nous a conduits à développer la méthode proposée d'exfoliation van der Waals (vdWE) pour fabriquer un film ultra-mince à partir de la sous-muqueuse de l'intestin grêle."

La piézoélectricité "récupère" dans un état ultra-mince

L'une des percées réalisées par l'équipe dans cette recherche est la technique d'exfoliation proposée par van der Waals, une méthode simple de fabrication d'un film biopiézoélectrique ultramince. Inspirée par la méthode de traitement des matériaux bidimensionnels tels que le graphène, l'équipe a utilisé la faible force de van der Waals entre les couches pour fabriquer un film ultra-mince monocouche ou multicouche de la sous-muqueuse de l'intestin grêle. Le film ultrafin produit par cette méthode de pelage répétée peut atteindre une épaisseur de 100 nm, soit près de 800 fois plus mince que celle du matériau d'origine non exfolié.

À l'aide d'un film ultra-mince préparé pour la sous-muqueuse de l'intestin grêle, l'équipe a réalisé une étude quantitative sondant la piézoélectricité biologique et déterminé l'origine de sa piézoélectricité biologique.

"Les films ont montré une augmentation du coefficient piézoélectrique effectif avec une diminution de l'épaisseur du film, jusqu'à un niveau saturé d'environ 3,3 pm/V", a déclaré le Dr Yang. "Sur la base de notre technique vdWE, la réponse piézoélectrique des films ultra-minces est multipliée par plus de 20 par rapport aux films originaux non exfoliés. Étant donné que le problème d'annulation de la piézoélectricité est surmonté dans le film ultra-mince, nous pouvons détecter la piézoélectricité, rendant ainsi l'application de tissus biologiques piézoélectriques est possible."

L'équipe de recherche a également conçu un biocapteur pour vérifier l'application pratique de la piézoélectricité dans le film ultra-mince de la sous-muqueuse de l'intestin grêle. L'équipe a découvert que sa biocompatibilité naturelle, sa flexibilité et sa piézoélectricité en font un matériau prometteur et écologique pour les microdispositifs électromécaniques dans l'électronique implantable et portable. La technique vdWE que l'équipe a proposée est facile et respectueuse de l'environnement, et peut également être appliquée à divers matériaux biologiques de tissus mous avec des structures en couches de van der Waals, telles que des vessies de poisson et des tendons d'Achille de vache. + Explorer plus loin

Un possible changement de paradigme au sein de la piézoélectricité