压电材料能够实现机械能和电能之间的相互转换,是重要的智能材料,能被集成到众多的可植入/可穿戴医疗系统(IWMS)中,包括超声传感器、压力传感器和电刺激器等。由于压电材料的独特机电特性,它们在自供电或无线供电的生物电子学中具有重要的应用潜力,可以避免使用常用的容量有限且有毒的化学电池。同时由于具有与生物很好的相容性,可以有望在医学开展应用,推进“材料+医学”发展。

该团队聚焦“无铅压电材料+医学”交叉研究,近日在《Science Advances》和《Nature Communications》上发表了题为“Flexible, biodegradable ultrasonic wireless electrotherapy device based on highly self-aligned piezoelectric biofilms”和"Lead-free dual-frequency ultrasound implants for wireless, biphasic deep brain stimulation"的最新研究性论文。四川大学均为第一署名单位,四川大学材料科学与工程学院吴家刚教授和蒋来明副研究员、四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心范红松教授、四川大学华西医院彭星辰教授为通讯作者。

科研资讯 | 我校吴家刚教授团队连续发文 在“无铅压电材料+医学”交叉研究方面取得新进展

可生物降解压电器件在按需瞬态生物学领域占据重要地位。然而,现有的压电生物材料由于难以进行大规模晶体取向排列和压电性较弱等缺点,仍是开发此类器件的阻碍。在此,该团队提出了一种以密度泛函理论为指导,通过超声辅助工艺合成最优取向、自发排列的压电γ-甘氨酸/聚乙烯醇(γ-glycine/PVA)薄膜的新策略。第一性原理计算显示,γ-甘氨酸的负压电效应源于氢键相互作用引起的甘氨酸分子的拉伸和压缩。合成的γ-glycine/PVA薄膜显示出10.4 pC N-1的压电性能和324×10-3 Vm N-1的超高压电电压系数。该生物薄膜被进一步开发为柔性、生物可吸收、无线压电超声电疗设备(b-WPUE),在临床伤口模型中,b-WPUE能缩短约40%的伤口愈合时间,并能自我降解,为压电生物薄膜工程和瞬态生物电子设备的开发提供了可靠的方法。

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生物可降解电疗器件的设计及工作原理
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超声驱动的生物电子学可提供一种可持续供电的无线方案。然而,目前的超声植入系统在生物兼容性和与有铅/无铅压电材料和器件相关的采集性能方面均面临严峻挑战。在此,该论文报告了一种用于无线双相深部脑刺激(DBS)的无铅双频超声植入体,将两种开发的无铅夹层多孔1-3型压电复合元件集成在柔性印刷电路板中,具有增强的采集性能。重要的是,该植入物通过便携式外部双频换能器为超声波供电,产生临床相关频率的可编程双相刺激脉冲。最后,还通过癫痫啮齿动物模型展示了超声驱动植入物在深部脑刺激中的长期生物安全疗法,为未来开发植入式超声电子器件提供一个可替代平台。

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用于深部脑刺激的无铅双频超声植入体的结构示意图及照片

上述研究得到国家自然科学基金区域联合基金重点项目、四川大学工科特色团队项目等经费支持。

 
 
作者简介
 
 

吴家刚,教授,博士生导师,担任ACS Applied Materials & Interfaces副编辑和中国物理学会电介质物理专业委员会副主任兼秘书长。研究方向为高性能无铅压电陶瓷及器件。

蒋来明,副研究员,硕士生导师。研究方向为高性能压电材料及其器件的研发。已在Sci Adv、Nat Commun、Adv Mater、Prog Mater Sci等国际高水平期刊上陆续发表多篇论文。

范红松,四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心教授,博士生导师,国务院特殊津贴专家。研究方向主要为组织再生生物材料与组织工程、纳米生物材料与柔性神经电极界面。已在Nat Commun、ACS nano、Small等国际高水平期刊上陆续发表多篇论文。

彭星辰,四川大学华西医院教授,博士生导师,“教育部重要人才计划”青年学者。主要从事恶性肿瘤放疗、化疗、靶向治疗和免疫治疗为主的综合治疗。研发成果获四川省科技进步二等奖(第一完成人)等。

 

来源:四川大学官网

 

原文始发于微信公众号(SCU熊猫人才工作站):科研资讯 | 我校吴家刚教授团队连续发文 在“无铅压电材料+医学”交叉研究方面取得新进展

作者 gan, lanjie

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