机械退火破解氨基酸晶体压电难题！南京大学造出可生物降解的压电力传感器

想象一下，能放进身体里的小型压电力传感器：它们能监测受损器官的生理压力变化，或者帮助精准给药、促进组织修复再生。最棒的是，它们不需电池供电，而且用完后身体能吸收降解，省去了再次开刀取出的麻烦。

然而，传统的压电材料，如无机陶瓷和有机聚合物，没有理想的降解性和低细胞毒性。科学家发现氨基酸晶体是个好苗子——具有生物相容性，而且表现出优异的压电特性。可问题是，这些晶体太小了，像一堆散沙，很难排整齐做成有用的设备。

来自南京大学的曹毅和薛斌找到了解决办法：用一种叫“机械退火”的特殊处理技术，利用天然氨基酸晶体作为压电材料，来设计制造全有机可生物降解的压电力传感器。他们把天然氨基酸晶体当原料，经过机械退火处理后，发电能力暴涨，其压电常数可达到单晶粉末的12倍！不仅如此，处理后的晶体薄膜像手机贴膜一样又平又滑，改善了晶体薄膜与电极的接触，使器件产生的电信号又强又稳。

用这种技术做出来的“可吸收压电力传感器”，把它封装后可用于体内连续监测肌肉收缩、呼吸起伏等动态变化长达4周，随后逐渐降解，没有引起身体发炎或其他中毒反应。这项突破给未来医疗带来了新希望，为设计和制造用于潜在临床应用的全有机、可生物降解力传感器提供了一种途径！

封装力传感器的制造：

机械退火晶体薄膜的制备：异亮氨酸溶于去离子水中配制成溶液，加热后将溶液转移至冰水浴中静置形成晶核形成。随后，用烘箱加热收集晶体并干燥。将制备好的异亮氨酸晶体填充至片剂模具中，一定压力下压缩得到圆形薄膜状晶体。其他氨基酸的晶体及机械退火晶体也采用相同方法制备。

PLA-PAN电极的制备：将聚乳酸（PLA）溶于二氯甲烷（DCM）中，得到PLA薄膜。这就是传感器最外层的“保护膜”。光有保护膜还不够，传感器需要电极来收集微弱的电信号。研究员也有妙招：拿出做好的PLA薄膜，把其中一面浸到一种混合“魔法药水”里（含有硫酸和苯胺）。经过处理后，原本绝缘的PLA薄膜表面就神奇地披上了一层能导电的聚苯胺（PAN），变身成了既能保护又能导电的“PLA-PAN复合电极”。

“核心动力源”的安置：压电晶体薄膜

经过“机械退火”处理的氨基酸晶体薄膜是整个传感器的“心脏”，负责把压力变成电信号。制备一块方形PLA薄膜，中间开孔。将晶体薄膜填入孔中，形成夹心层。将PLA-PAN电极切割成方形薄膜后，将夹心层夹在两片PLA-PAN电极之间。为了确保整个器件密封性，用特制的PLA胶水（也是用PLA溶解制成的）仔细地涂抹在所有边缘和表面，就像给“三明治”裹上一层保鲜膜。等胶水干了，一个完整的、密封的封装力传感器就诞生了！

体内版传感器优化：

对于要真正植入体内的版本，科学家们做了些特别优化：为增强生物降解性，在PLA溶液中混合了八臂聚乙二醇胺盐酸盐（8-arm PEG-NH₂·HCl (SUC)），并且晶体薄膜直接夹在两片PLA-PAN电极之间（省去中间的PLA薄膜层），使用PLA胶水密封。聚乙二醇及其衍生物是目前为数不多的通过美国FDA认证的可用于生物医药产品的聚合物，具有极低的细胞毒性和良好的生物相容性。

经过实验验证，课题组设计的压电力传感器具有良好的生物相容性、长期稳定性和生物降解性。本研究首次提出机械退火策略，实现了大规模有序异亮氨酸晶体材料的制备。

该方法具有普适性，可推广应用于设计制造其他基于生物材料的压电薄膜。薄膜中晶相的高度有序排列，显著提升了其宏观层面的压电常数；同时，平坦光滑的表面确保了与导电聚合物电极的紧密连接。因此，封装后的力传感器展现出高灵敏度和宽广的力传感范围。

最近，研究人员利用肽及其衍生物，已探索出多种新型生物分子晶体，其压电常数远高于本研究所使用的材料。考虑到机械退火技术的通用性，通过用这些新型压电生物材料替代异亮氨酸，有望进一步提升基于氨基酸的可生物降解力传感器的性能。

研究中使用到的八臂聚乙二醇胺盐酸盐（8-arm PEG-NH₂·HCl (SUC)）来自于厦门赛诺邦格生物科技股份有限公司。赛诺邦格拥有多种八臂(SUC)结构产品，欢迎大家咨询~

Reference：

Cheng, Yuanqi, et al. "Boosting the piezoelectric sensitivity of amino acid crystals by mechanical annealing for the engineering of fully degradable force sensors." Advanced Science 10.11 (2023): 2207269.