In één stap thermisch-elektrisch aërosolprinten met hoge snelheid van piëzo-elektrische bio-organische films

Te midden van de voortdurende stijging van de vraag naar bio-MEMS, draagbare/implanteerbare elektronica en bioweefseltherapie is het streven naar piëzo-elektrische biomaterialen een prioriteit geworden, dankzij hun opmerkelijke elektromechanische eigenschappen, biocompatibiliteit en bioresorbeerbaarheid.

Hun technologische potentieel wordt echter beperkt door de uitdagingen van de nauwkeurige manipulatie van nanobiomoleculen, het beheersen van hun groei in de nano-naar-macro-hiërarchie en het afstemmen van gewenste mechanische eigenschappen.

Sinds de ontdekking van biologische piëzo-elektriciteit in wol en haar in 1941 zijn pogingen om piëzo-elektriciteit in biomaterialen te activeren via externe elektrische polen grotendeels onsuccesvol gebleken. Tachtig jaar lang is deze uitdaging onaangeroerd gebleven, waardoor er een enorme kloof ontstond tussen piëzo-elektrische biomaterialen in laboratoria en praktische bio-apparaten.

Ons onderzoeksteam onder leiding van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) heeft een baanbrekende technologie ontwikkeld die thermisch-elektrisch getriggerde aërosolen gebruikt om flexibele piëzo-elektrische biofilms te vervaardigen. Het werk is gepubliceerd in het journaal Wetenschappelijke vooruitgang.

De ontwikkelde thermisch-elektrische aerosolprinter (TEA) is in staat om piëzo-elektrische biofilms in één stap, op hoge snelheid en van rol tot rol te printen voor de productie van geminiaturiseerde/flexibele bio-elektronica, draagbare/implanteerbare micro-apparaten en bioweefsel therapieën, die de mogelijkheid bieden tot industriële productie van piëzo-elektrische biofilms.

De combinatie van top-down ontwerpvrijheid die wordt geboden door additieve productie en bottom-up controle over nanobiomoleculen toont de haalbaarheid en grenzeloze vooruitzichten aan van het overbruggen van de kloof tussen piëzo-elektrische biomaterialen in laboratoria en praktische bio-apparaten.

Traditionele biomoleculaire assemblagemethoden vereisen vaak een uitgebreide zelfuitlijningstijd (van ~0,5 uur tot ~48 uur), wat niet alleen problemen met zich meebrengt voor productie op hoge snelheid, maar ook leidt tot ongewenste structurele defecten.

Daarentegen maakt de TEA-printer, die gebruik maakt van elektrohydrodynamische aërosolisatie en in-situ elektrische polen, een printlengte van ~8.600 mm per dag mogelijk, twee ordes van grootte sneller dan de bestaande technieken.

De door ons geproduceerde glycine/polyvinylpyrrolidonfilms demonstreren de piëzo-elektrische spanningscoëfficiënt van 190 x 100⁻³ voltmeter per newton, wat ongeveer het tienvoudige overtreft van het veelgebruikte industriestandaard loodzirkonaattitanaat. Bovendien vertonen deze films een verbetering van bijna twee ordes van grootte in mechanische flexibiliteit vergeleken met glycinekristallen.

Onze TEA-printer biedt printmogelijkheden voor uiteenlopende klassen biomaterialen, zoals glycine, chitosan en poly(L-melkzuur). De volgende fase van het onderzoek zal zich richten op het benutten van de TEA-print- en piëzo-elektrische biomateriaalbibliotheken, evenals op machinaal leren geleide ontwerpstrategieën om de ontwikkeling van een breed scala aan piëzo-elektrische biomaterialen voor flexibele bio-elektronica en bioweefseltherapieën te versnellen.

Dit verhaal maakt deel uit van Wetenschap X-dialoogwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over Science X Dialog en hoe u kunt deelnemen.