Новая нанотехнология, разработанная международной исследовательской группой под руководством исследователей Тель-Авивского университета, позволит генерировать электрические токи и напряжение в человеческом теле за счет активации различных органов (механической силы). Исследователи объясняют, что при разработке используется новый и очень прочный биологический материал, похожий на коллаген, который нетоксичен и не причиняет вреда тканям организма. Исследователи полагают, что эта новая нанотехнология имеет множество потенциальных применений в медицине, включая сбор чистой энергии для работы устройств, имплантированных в тело (например, кардиостимуляторов), посредством естественных движений тела, устраняя необходимость в батареях.
Исследование проводилось профессором Эхудом Газитом из Школы биомедицины и исследований рака Шмуниса на факультете наук о жизни Мудрого, факультета материаловедения и инженерии инженерного факультета Флейшмана и Центра нанонауки и нанотехнологий, а также его команда лаборатории, доктор Санту Бера и доктор Вэй Джи. Результатами работы группа поделилась в журнале Nature Communications.
Коллаген — это самый распространенный белок в организме человека, составляющий около 30% всех белков в нашем организме. Это биологический материал со спиральной структурой и множеством важных физических свойств, таких как механическая прочность и гибкость, которые используются во многих областях. Однако, поскольку сама молекула коллагена велика и сложна, исследователи давно искали минималистичную, короткую и простую молекулу, основанную на коллагене и обладающую аналогичными свойствами.
Около полутора лет назад в журнале Nature Materials эта группа опубликовала исследование, в котором мы использовали нанотехнологические средства для создания нового биологического материала, отвечающего этим требованиям. Это трипептид — очень короткая молекула под названием Hyp-Phe-Phe, состоящая всего из трех аминокислот — способная к простому процессу самосборки с образованием коллагеноподобной спиральной структуры, которая является гибкой и может похвастаться силой, аналогичной силе металлический титан. В настоящем исследовании мы стремились выяснить, имеет ли новый материал, который мы разработали, еще одну особенность, которая характеризует коллаген — пьезоэлектричество. Пьезоэлектричество — это способность материала генерировать электрические токи и напряжение в результате приложения механической силы или, наоборот, создавать механическую силу в результате воздействия электрического поля.
В ходе работы исследователи создали нанометрические структуры из искусственного материала и с помощью передовых инструментов нанотехнологии оказали на них механическое давление. Эксперимент показал, что материал действительно производит электрические токи и напряжение в результате давления. Более того, крошечные структуры размером всего в сотни нанометров продемонстрировали один из самых высоких уровней пьезоэлектрической способности, когда-либо обнаруженных, сравнимый или превосходящий таковой у пьезоэлектрических материалов, обычно встречающихся на сегодняшнем рынке (большинство из которых содержат свинец и поэтому не подходят для медицинских приложений).
По словам исследователей, открытие пьезоэлектричества такой величины в нанометровом материале имеет большое значение, поскольку оно демонстрирует способность сконструированного материала служить своего рода крошечным мотором для очень маленьких устройств. Затем исследователи планируют применить кристаллографию и вычислительные квантово-механические методы (теория функционала плотности), чтобы получить глубокое понимание пьезоэлектрического поведения материала и, таким образом, обеспечить точную инженерию кристаллов для создания биомедицинских устройств.
