Растворимая электроника. Инженеры из Стэнфорда превратили простую аминокислоту в источник энергии
Исследователи из Стэнфорда нашли способ стабилизировать аминокислоту глицин, сохранив ее пьезоэлектрические свойства. Это позволяет создать новое поколение биосовместимых датчиков и электроники, которые способны безопасно растворяться в теле или окружающей среде.
Простейшая среди аминокислот — глицин — встречается повсеместно. Она синтезируется в человеческом организме, участвуя в формировании кожи, костной ткани и связок, содержится в обычном мясе и даже присутствует в составе космических комет. Ученые из Стэнфордского университета предлагают применять это общедоступное соединение для создания материалов нового поколения — биоэлектроники и экологических датчиков, которые после выполнения своей функции могут естественным образом разлагаться.
В новой публикации в издании Advanced Functional Materials представлена разработка, преодолевающая ключевые барьеры на пути к электрифицированным медицинским устройствам на основе глицина.
«Глицин очень интересен своей распространенностью», — отмечает старший автор исследования и доцент кафедры машиностроения Вивиан Фейг. — «Мы ясно понимаем, как его перерабатывать, наши организмы легко его расщепляют, а сам материал дешев и доступен». Лаборатория Фейг специализируется на разработке динамических функциональных материалов для медицины — в частности, тех. которые со временем безопасно распадаются внутри пациента или могут вводиться предельно щадящими методами. При создании новых решений исследователи учитывают как полный срок службы устройства, так и практические ограничения, пытаясь совмещать проверенные безопасные компоненты с инновационной инженерией.
Текущая работа сосредоточена на пьезоэлектрических свойствах глицина — его способности генерировать электрическую энергию от механической нагрузки. Пьезоэлементы широко применяются в бытовых приборах, таких как датчики дыма или часы, а также в системе мониторинга окружающей среды и в ультразвуковом или диагностическом медицинском оборудовании. Глицин давно считается потенциально отличным пьезоэлектриком, однако он имеет два критических недостатка: при контакте с водой вещество полностью распадается за несколько секунд, а его природная кристаллическая форма вообще лишена пьезоэлектрического эффекта.
Чтобы решить эти проблемы, ученые применили новый инженерный процесс: при кристаллизации глицина в условиях наноограничения на него действовали электрическим полем. Это позволило изолировать частицы в очень малых пространствах и выровнять кристаллы по полярности. Для предотвращения перехода в нежелательную фазу в состав добавили молекулярные стабилизаторы, сохранив при этом достаточную гибкость материала. Кроме того, команда позаимствовала стратегию по фармацевтике: глицин поместили в полимерную матрицу, замедляющую его растворение. В результате проведенных тестов смесь сохранила свои пьезоэлектрические свойства даже через 60 дней пребывания в водной среде и ученые ожидают еще более длительного срока во время дальнейших испытаний.
По словам первого автора статьи Чжуоминя Чжана, это огромный шаг вперед, приближающий технологию к реальному использованию в естественных условиях. В дальнейшем команда планирует проверить стабильность материала в более экстремальной среде — при температуре человеческого тела 37 °C и при разных уровнях pH, имитирующих желудочно-кишечный тракт.