Cercetătorii stabilizează glicina pentru a crea senzori biodegradabili
Glicina, cel mai simplu aminoacid, este răspândită atât în organismul uman, cât și în natură, fiind întâlnită în carne, oase, ligamente și chiar în comete. Proprietățile sale piezoelectrice — capacitatea de a genera energie din stres mecanic — o fac atractivă pentru dispozitive precum alarme de fum, ceasuri, monitoare de mediu și echipamente medicale. Totuși, glicina se dezintegrează în contact cu apa în câteva secunde, iar forma sa cristalină naturală nu este piezoelectrică, ceea ce limitează aplicațiile practice.
O echipă de cercetători de la Școala de Inginerie a Universității Stanford a dezvoltat un material nou care rezolvă aceste obstacole. Rezultatele au fost publicate în revista Advanced Functional Materials. Noul material ar putea permite construirea unor bioelectronice și senzori de mediu care se biodegradează după utilizare.
„Glicina este foarte interesantă pentru că este atât de abundentă”, a declarat Vivian Feig, profesoară asistentă de inginerie mecanică și autoare principală a lucrării. „Știm cum să o procesăm, organismele noastre știu cum să o descompună, iar ea este ieftină și accesibilă.”
Laboratorul lui Feig se concentrează pe materiale funcționale dinamice pentru uz biomedical, inclusiv materiale care se descompun în timp în corp sau pot fi introduse prin metode minim invazive. „Când creăm materiale noi, ne gândim la întreaga durată de viață funcțională a unui dispozitiv, precum și la constrângerile practice legate de implementare”, a explicat Feig. „Încercăm să folosim componente foarte sigure și bine stabilite, combinate cu abordări inovatoare pentru a oferi materialelor familiare proprietăți excepționale sau noi.”
Provocările glicinei și soluțiile găsite
Deși glicina are proprietăți piezoelectrice promițătoare, cercetătorii s-au confruntat cu două probleme majore: instabilitatea în apă și forma cristalină nepotrivită. Pentru a menține glicina într-o formă piezoelectrică dorită, echipa a creat un proces de inginerie care aplică un câmp electric în timpul cristalizării sub nanoconfinare. Acest proces izolează particulele în spații extrem de mici și aliniază cristalele de glicină după polaritate, permițându-le să-și păstreze proprietățile piezoelectrice.
Cercetătorii au adăugat, de asemenea, stabilizatori moleculari pentru a împiedica tranziția glicinei către o fază cristalină care ar anula piezoelectricitatea, menținând în același timp materialul suficient de flexibil pentru potențiale utilizări în corpul uman. Pentru a controla degradarea, echipa a împrumutat strategii din cercetările anterioare ale lui Feig privind livrarea întârziată a medicamentelor. Similar medicamentelor care se dizolvă rapid în apă, glicina a fost încapsulată într-o matrice polimerică ce degradează lent.
„Natura și organismele noastre pot elimina glicina. Dar cum îi valorificăm potențialul?”, a spus Feig. „A trebuit să rezolvăm o mulțime de probleme diferite.”
Folosind matricea polimerică, cercetătorii au încetinit dezintegrarea glicinei până la punctul în care, după 60 de zile, amestecul lor a menținut performanța piezoelectrică. Cu teste suplimentare, echipa se așteaptă ca proprietățile piezoelectrice să dureze chiar mai mult.
Un pas important înainte
Progresul echipei privind stabilitatea materialului și formarea cristalelor reprezintă „un salt uriaș”, a declarat Zhuomin Zhang, cercetător postdoctoral în laboratorul lui Feig și primul autor al lucrării. „Când mă gândesc la ceea ce am realizat, mă simt foarte entuziasmat pentru că am abordat una dintre cele mai mari provocări care limitează utilizarea materialelor piezoelectrice pe bază de glicină”, a spus Zhang. „Această lucrare aduce domeniul cu un pas mai aproape de aplicațiile biomedicale practice, unde stabilitatea pe termen lung în medii fiziologice este esențială.”
În continuare, echipa speră să testeze stabilitatea materialului în medii mai extreme: la temperatura corpului uman, de exemplu, și în medii cu diferite valori de pH care reprezintă condiții precum tractul digestiv. Cercetătorii explorează colaborări cu Școala de Medicină, unde există interes pentru senzori biodegradabili care ar putea înlocui dispozitivele actuale de monitorizare folosite după proceduri chirurgicale sau pentru implanturi. De asemenea, vor continua să ajusteze materialul pentru a crește stabilitatea și piezoelectricitatea, împingându-i capacitățile mai departe.
„Acum avem o platformă foarte bună pentru a putea ajusta și reoptimiza pentru aceste contexte diferite”, a conchis Feig.
