想象一下，能放進身體里的小型壓電力傳感器：它們能監(jiān)測受損器官的生理壓力變化，或者幫助精準(zhǔn)給藥、促進組織修復(fù)再生。最棒的是，它們不需電池供電，而且用完后身體能吸收降解，省去了再次開刀取出的麻煩。

然而，傳統(tǒng)的壓電材料，如無機陶瓷和有機聚合物，沒有理想的降解性和低細(xì)胞毒性?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)氨基酸晶體是個好苗子——具有生物相容性，而且表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電特性?？蓡栴}是，這些晶體太小了，像一堆散沙，很難排整齊做成有用的設(shè)備。

來自南京大學(xué)的曹毅和薛斌找到了解決辦法：用一種叫“機械退火”的特殊處理技術(shù)，利用天然氨基酸晶體作為壓電材料，來設(shè)計制造全有機可生物降解的壓電力傳感器。他們把天然氨基酸晶體當(dāng)原料，經(jīng)過機械退火處理后，發(fā)電能力暴漲，其壓電常數(shù)可達(dá)到單晶粉末的12倍！不僅如此，處理后的晶體薄膜像手機貼膜一樣又平又滑，改善了晶體薄膜與電極的接觸，使器件產(chǎn)生的電信號又強又穩(wěn)。

用這種技術(shù)做出來的“可吸收壓電力傳感器”，把它封裝后可用于體內(nèi)連續(xù)監(jiān)測肌肉收縮、呼吸起伏等動態(tài)變化長達(dá)4周，隨后逐漸降解，沒有引起身體發(fā)炎或其他中毒反應(yīng)。這項突破給未來醫(yī)療帶來了新希望，為設(shè)計和制造用于潛在臨床應(yīng)用的全有機、可生物降解力傳感器提供了一種途徑！

封裝力傳感器的制造：

機械退火晶體薄膜的制備：異亮氨酸溶于去離子水中配制成溶液，加熱后將溶液轉(zhuǎn)移至冰水浴中靜置形成晶核形成。隨后，用烘箱加熱收集晶體并干燥。將制備好的異亮氨酸晶體填充至片劑模具中，一定壓力下壓縮得到圓形薄膜狀晶體。其他氨基酸的晶體及機械退火晶體也采用相同方法制備。

PLA-PAN電極的制備：將聚乳酸（PLA）溶于二氯甲烷（DCM）中，得到PLA薄膜。這就是傳感器最外層的“保護膜”。光有保護膜還不夠，傳感器需要電極來收集微弱的電信號。研究員也有妙招：拿出做好的PLA薄膜，把其中一面浸到一種混合“魔法藥水”里（含有硫酸和苯胺）。經(jīng)過處理后，原本絕緣的PLA薄膜表面就神奇地披上了一層能導(dǎo)電的聚苯胺（PAN），變身成了既能保護又能導(dǎo)電的“PLA-PAN復(fù)合電極”。

“核心動力源”的安置：壓電晶體薄膜

經(jīng)過“機械退火”處理的氨基酸晶體薄膜是整個傳感器的“心臟”，負(fù)責(zé)把壓力變成電信號。制備一塊方形PLA薄膜，中間開孔。將晶體薄膜填入孔中，形成夾心層。將PLA-PAN電極切割成方形薄膜后，將夾心層夾在兩片PLA-PAN電極之間。為了確保整個器件密封性，用特制的PLA膠水（也是用PLA溶解制成的）仔細(xì)地涂抹在所有邊緣和表面，就像給“三明治”裹上一層保鮮膜。等膠水干了，一個完整的、密封的封裝力傳感器就誕生了！

體內(nèi)版?zhèn)鞲衅鲀?yōu)化：

對于要真正植入體內(nèi)的版本，科學(xué)家們做了些特別優(yōu)化：為增強生物降解性，在PLA溶液中混合了八臂聚乙二醇胺鹽酸鹽（8-arm PEG-NH₂·HCl (SUC)），并且晶體薄膜直接夾在兩片PLA-PAN電極之間（省去中間的PLA薄膜層），使用PLA膠水密封。聚乙二醇及其衍生物是目前為數(shù)不多的通過美國FDA認(rèn)證的可用于生物醫(yī)藥產(chǎn)品的聚合物，具有極低的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性。

經(jīng)過實驗驗證，課題組設(shè)計的壓電力傳感器具有良好的生物相容性、長期穩(wěn)定性和生物降解性。本研究首次提出機械退火策略，實現(xiàn)了大規(guī)模有序異亮氨酸晶體材料的制備。

該方法具有普適性，可推廣應(yīng)用于設(shè)計制造其他基于生物材料的壓電薄膜。薄膜中晶相的高度有序排列，顯著提升了其宏觀層面的壓電常數(shù)；同時，平坦光滑的表面確保了與導(dǎo)電聚合物電極的緊密連接。因此，封裝后的力傳感器展現(xiàn)出高靈敏度和寬廣的力傳感范圍。

最近，研究人員利用肽及其衍生物，已探索出多種新型生物分子晶體，其壓電常數(shù)遠(yuǎn)高于本研究所使用的材料?？紤]到機械退火技術(shù)的通用性，通過用這些新型壓電生物材料替代異亮氨酸，有望進一步提升基于氨基酸的可生物降解力傳感器的性能。

研究中使用到的八臂聚乙二醇胺鹽酸鹽（8-arm PEG-NH₂·HCl (SUC)）來自于廈門賽諾邦格生物科技股份有限公司。賽諾邦格擁有多種八臂(SUC)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，歡迎大家咨詢~

Reference：

Cheng, Yuanqi, et al. "Boosting the piezoelectric sensitivity of amino acid crystals by mechanical annealing for the engineering of fully degradable force sensors." Advanced Science 10.11 (2023): 2207269.