«Здоровый» электрический ток будет производиться внутри человеческого тела

Новые нанотехнологии имеют множество потенциальных применений в медицине, включая производство энергии для работы устройств, имплантированных в тело. Кардиостимуляторы и другие подобные устройства будут питаться энергией при естественных движениях тела, устраняя необходимость в батареях.

Работа за счет механической силы

Новая нанотехнология позволит генерировать электрические токи и напряжение в человеческом теле за счет активации различных органов механической силой. При разработке используется новый и очень прочный биологический материал, похожий на коллаген. Он не токсичен и не причиняет вреда тканям организма.

Профессор Тель Авивского университета Эхуд Газит, возглавлявший исследование, объясняет: “Коллаген является наиболее распространенным белком в организме человека, составляя около 30%. Это биологический материал со спиральной структурой и множеством важных и полезных физических свойств, таких как механическая прочность и гибкость. Однако сама молекула коллагена объемна и сложна. Поэтому исследователи давно искали более короткую и простую молекулу, основанную на коллагене и обладающую аналогичными свойствами.”

Около полутора лет назад исследователи использовали нанотехнологические средства для создания нового биологического материала, отвечающего этим требованиям. Таким материалом оказался трипептид - очень короткая молекула Hyp-Phe-Phe, состоящая всего из трех аминокислот. Она способна к простому процессу самосборки с образованием коллагеноподобной гибкой спиральной структуры, прочной, как титан. Исследователи стремились выяснить, имеет ли новый материал еще одну особенность, которая характеризует коллаген, – пьезоэлектричество, то есть способность материала генерировать электрические токи и напряжение в результате приложения механической силы или, наоборот, создавать механическую силу в результате воздействия электрического поля.

Исследование проводили: профессор Эхуд Газит из Школы биомедицины и исследований рака им. Шмуниса (https://en-lifesci.tau.ac.il/sbcr) факультета естественных наук им. Джорджа С. Уайза ( https://en-lifesci.tau.ac.il/); кафедра материаловедения и инженерии (https://en-engineering.tau.ac.il/materials) факультета инженерии им. Иби и Аладара Флайшман (https://en-engineering.tau.ac.il/); Центр нанотехнологий Тель-Авивского университета (https://nano.tau.ac.il/), Центра им. Блаватника по разработке медикаментов (https://bcdd.tau.ac.il/). В исследовании также приняли участие исследователи из Института им. Вейцмана и ряда исследовательских институтов в Ирландии, Китае и Австралии. Исследователи получили два гранта Европейского исследовательского совета. Исследование было опубликовано в престижном научном журнале Nature Communications.

Большое открытие

В ходе исследования ученые создали нанометрические структуры из искусственного материала и с помощью передовых инструментов нанотехнологии оказали на них механическое давление. Эксперимент показал, что материал действительно производит электрические токи и напряжение в результате давления. Более того, крошечные структуры размером всего в сотни нанометров продемонстрировали один из самых высоких уровней пьезоэлектрической способности, когда-либо обнаруженных, сравнимый или превосходящий таковой у пьезоэлектрических материалов, известных на сегодняшнем рынке, большинство из которых содержат свинец и не подходят для медицинских целей.

По словам исследователей, открытие пьезоэлектричества такой величины в нано-материале имеет большое значение, поскольку оно демонстрирует способность сконструированного материала служить своего рода крошечным мотором для очень маленьких устройств.

Без вреда для окружающей среды и человеческого тела

“Большинство известных нам сегодня пьезоэлектрических материалов представляют собой токсичные материалы на основе свинца или полимеры. Они вредны для окружающей среды и человеческого тела. Однако наш новый материал полностью биологический и поэтому вполне подходит для использования в организме. Например, устройство, изготовленное из этого материала, может заменить батарею, которая снабжает энергией имплантаты, такие как кардиостимуляторы, хотя ее следует время от времени заменять. Движения тела, сердцебиение, движения челюстей, дефекация или любые другие действия, которые происходят в организме на регулярной основе, заряжают устройство электричеством, непрерывно активирующее устройство”, комментирует проф. Газит.

Профессор также подчеркнул, что экологически чистые пьезоэлектрические материалы, подобные тому, что был открыт, обладают огромным потенциалом в широком диапазоне областей, поскольку они производят зеленую энергию с помощью механической силы, которая в любом случае используется. Например, проезжающая по улице машина может включать фонари. Эти материалы могут также заменить содержащие свинец пьезоэлектрические материалы, широко используемые сегодня, но вызывающие опасения по поводу утечки токсичного металла в окружающую среду.