自組裝的生物相容性分子帶能夠存儲(chǔ)能量和信息。

想象一下，有一款像智能手表一樣能監(jiān)測(cè)你的步數(shù)和心跳的手環(huán)，或者配有內(nèi)置空調(diào)能讓你保持涼爽的衣物，甚至是一種比笨重的起搏器更有助于心臟正常發(fā)揮功能的柔性植入物……這就是研究人員創(chuàng)造出的一種新型電活性材料的前景。這種材料是通過(guò)將叫作肽的氨基酸短鏈與聚合物塑料片段相結(jié)合而制造出來(lái)的。2024年10月，《自然》（Nature）雜志報(bào)道了這種“電塑料”，它能夠儲(chǔ)存能量或記錄信息，從而為自供電可穿戴設(shè)備、實(shí)時(shí)神經(jīng)接口以及與人體融合度更高的醫(yī)療植入物打開(kāi)了大門(mén)。

大多數(shù)電子材料都是剛性的或含有有毒金屬，這使得設(shè)計(jì)出適合人體結(jié)構(gòu)或可嵌入組織內(nèi)的設(shè)備變得很困難。20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的一種名為聚偏二氟乙烯（PVDF）的聚合物是為數(shù)不多的可用于電子設(shè)備的軟塑料之一。PVDF具有極性結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外部電壓刺激時(shí)方向會(huì)發(fā)生變化——相當(dāng)于化學(xué)領(lǐng)域的電子位翻轉(zhuǎn)。然而，這些“鐵電”性質(zhì)并不穩(wěn)定，在較高溫度下會(huì)消失。此外，這種塑料還需要高電壓來(lái)切換極性，使得其操作起來(lái)更加耗能。

美國(guó)西北大學(xué)的材料科學(xué)家塞繆爾 · 斯塔普（Samuel Stupp）和他的同事認(rèn)為，他們可以改善PVDF的性能。該團(tuán)隊(duì)將肽與小的PVDF片段連接起來(lái)，這些片段可以自然地組裝為長(zhǎng)而柔軟的帶狀物。然后，這些分子會(huì)聚集成束并排列成電活性材料。斯塔普說(shuō)：“值得一提的是，加水就能觸發(fā)自組裝過(guò)程。”

這種新材料克服了PVDF的局限性。它切換極化狀態(tài)所需的電壓僅為其他鐵電材料的1/100，這使其成為低功耗應(yīng)用的理想選擇。而且，它在110°C的溫度下仍能保持鐵電特性，比其他PVDF材料高出約40°C。

斯塔普的新材料可以通過(guò)電來(lái)切換每個(gè)條帶的極性以儲(chǔ)存能量或記錄信息。每個(gè)條帶末端的肽可以與神經(jīng)元或其他細(xì)胞上的蛋白質(zhì)相連，從而使得這些分子能記錄來(lái)自大腦、心臟或其他器官的信號(hào)，或?qū)λ鼈冞M(jìn)行電刺激。斯塔普說(shuō)，使用超聲波等低功率技術(shù)為分子“充電”后，這種材料就可以用來(lái)刺激神經(jīng)元，以治療慢性癱瘓。

該研究的共同作者、美國(guó)西北大學(xué)的電力工程師楊陽(yáng)（Yang Yang，音譯）指出，PVDF具有生物相容性，是開(kāi)發(fā)可從體外進(jìn)行無(wú)線控制的軟植入物非常有前景的候選材料。

盡管PVDF無(wú)毒，但一些研究人員對(duì)其在環(huán)境中的長(zhǎng)期影響持謹(jǐn)慎態(tài)度。含氟化合物在環(huán)境中可以存在數(shù)百年——這也是歐洲提出禁止PVDF的原因之一。

美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校的環(huán)境工程師威廉 · 阿諾德（William Arnold）未參與該研究，他表示，微生物可能會(huì)將PVDF片段分解成三氟乙酸，這是一種新興的污染物。此外，他補(bǔ)充道，為了制備分子帶，斯塔普的團(tuán)隊(duì)使用了一種全氟和多氟烷基物質(zhì)分子，這是另一種持久性含氟化合物，它對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康都有影響。

到目前為止，斯塔普的團(tuán)隊(duì)只對(duì)這些分子進(jìn)行了小規(guī)模評(píng)估。美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的化學(xué)家弗蘭克 · 萊布法斯（Frank Leibfarth）說(shuō)，要擴(kuò)大規(guī)模，就需要將水懸浮結(jié)構(gòu)沉積到設(shè)備上，而不改變它們。他也沒(méi)有參與該研究，不過(guò)，他說(shuō)：“與其他有機(jī)聚合物相比，這一進(jìn)展已經(jīng)具備了許多吸引人的特性?！?/p>

盡管面臨挑戰(zhàn)，但斯塔普相信，肽和PVDF的結(jié)合是成功的秘訣。他說(shuō)：“這篇論文的概念要比偏二氟乙烯廣泛得多?；蛟S還有其他不需要用到氟的解決方法?！彼Ｍ@種材料能為我們開(kāi)啟一個(gè)嶄新的未來(lái)，屆時(shí)，技術(shù)不僅僅影響我們，而且能與我們?nèi)跒橐惑w。

資料來(lái)源 Science