壓電材料在生物醫學領域有著廣泛的應用潛力，如果能夠實現生物相容性和可降解性，必將推動它們朝實際應用邁進一大步。據麥姆斯咨詢報道，香港城市大學（CityU）的一支研究團隊近期開發了一種簡單的剝離方法，可用于制備綿羊小腸組織的超薄薄膜。這種生物組織在宏觀上被認為沒有壓電特性，但CityU的研究小組發現，如果這種材料足夠超薄，它也可以展示出壓電特性。并且，憑借其天然的生物相容性，該團隊認為，這種壓電生物材料有望用于各種生物醫學應用，例如傳感器和智能芯片等。

這項研究由CityU機械工程系助理教授Yang Zhengbao博士領導。這項研究成果已經以“Van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films”為標題發表于學術期刊Advanced Materials。

壓電生物材料在生物醫學領域的潛在應用

壓電材料可以通過施加壓力而產生電荷。壓電生物材料在生物組織上具有潛在的壓電效應，例如促進組織恢復和骨再生，還可以應用于植入式傳感器和執行器。然而，由于成本及技術限制，壓電效應在生物組織中的研究大多還停留在理論階段。

產生壓電效應的關鍵

Yang Zhengbao教授的博士生、該論文第一作者Zhang Zhuomin說：“我們發現小腸粘膜下層由數百層膠原纖維自然形成，一般厚度為幾十個毫米。根據我們的研究，它們很難在毫米級厚度的宏觀水平上顯示出壓電特性，因為其固有的壓電效應會在層內被抵消。因此，在宏觀水平上只能檢測到微弱甚至沒有壓電性。我們發現，使小腸粘膜下層變薄可以克服抵消的問題，從而重現壓電特性。這推動我們開發了這種由小腸粘膜下層制備壓電超薄膜的范德華剝離方法（van der Waals exfoliation, vdWE）。”

新型剝離技術“重現”生物材料的壓電特性

圖A展示了由小腸粘膜下層制備超薄膜的過程。圖B掃描電子顯微圖像，展示了未經處理（78.5μm）和剝離的小腸粘膜下層（8.5μm）的厚度對比。圖C展示了通過重復剝離得到的超薄膜（厚度約100nm）。圖D展示了硅襯底上的超薄膜。

超薄狀態下的壓電特性

該團隊在這項研究中取得的突破之一是所提出的范德華剝離技術，這是一種制作生物壓電超薄膜的簡單方法。受石墨烯等二維材料加工方法的啟發，該研究小組利用層間微弱的范德華力制備出單層或多層小腸粘膜下層超薄膜。通過這種重復剝離方法制備的超薄膜，可以達到100nm的厚度，相比原始未剝離材料薄了近800倍。

利用所制備的小腸粘膜下層超薄膜，研究小組進行了定量研究，探討了其生物壓電性，并確定了其生物壓電性的來源。

隨著小腸粘膜下層薄膜厚度的降低，其有效壓電系數增加，可達約3.3 pm/V的飽和水平

Yang教授評價說：“基于我們的范德華剝離技術，與未處理的原始薄膜相比，超薄膜的壓電響應增加了20多倍，從而使壓電生物組織的應用成為可能。”

該研究小組還設計了一種生物傳感器，以驗證小腸粘膜下層超薄膜壓電特性的實際應用。研究小組發現，其天然的生物相容性、柔韌性和壓電特性，使其成為植入式和可穿戴電子設備中微型機電器件極具前景且生態友好的材料。該團隊提出的范德華剝離技術簡便且環保，還可以應用于具有范德華層狀結構的各種生物軟組織材料，例如魚鰾和牛跟腱等。

審核編輯 ：李倩