電塑料或開啟新一代植入物與可穿戴技術的大門

自組裝的生物相容性分子帶能夠存儲能量和信息。

想象一下，有一款像智能手表一樣能監測你的步數和心跳的手環，或者配有內置空調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揮功能的柔性植入物……這就是研究人員創造出的一種新型電活性材料的前景。這種材料是通過將叫作肽的氨基酸短鏈與聚合物塑料片段相結合而制造出來的。2024年10月，《自然》（Nature）雜志報道了這種“電塑料”，它能夠儲存能量或記錄信息，從而為自供電可穿戴設備、實時神經接口以及與人體融合度更高的醫療植入物打開了大門。

大多數電子材料都是剛性的或含有有毒金屬，這使得設計出適合人體結構或可嵌入組織內的設備變得很困難。20世紀40年代發現的一種名為聚偏二氟乙烯（PVDF）的聚合物是為數不多的可用于電子設備的軟塑料之一。PVDF具有極性結構，當受到外部電壓刺激時方向會發生變化——相當于化學領域的電子位翻轉。然而，這些“鐵電”性質并不穩定，在較高溫度下會消失。此外，這種塑料還需要高電壓來切換極性，使得其操作起來更加耗能。

美國西北大學的材料科學家塞繆爾 · 斯塔普（Samuel Stupp）和他的同事認為，他們可以改善PVDF的性能。該團隊將肽與小的PVDF片段連接起來，這些片段可以自然地組裝為長而柔軟的帶狀物。然后，這些分子會聚集成束并排列成電活性材料。斯塔普說：“值得一提的是，加水就能觸發自組裝過程。”

這種新材料克服了PVDF的局限性。它切換極化狀態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電來切換每個條帶的極性以儲存能量或記錄信息。每個條帶末端的肽可以與神經元或其他細胞上的蛋白質相連，從而使得這些分子能記錄來自大腦、心臟或其他器官的信號，或對它們進行電刺激。斯塔普說，使用超聲波等低功率技術為分子“充電”后，這種材料就可以用來刺激神經元，以治療慢性癱瘓。

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

盡管PVDF無毒，但一些研究人員對其在環境中的長期影響持謹慎態度。含氟化合物在環境中可以存在數百年——這也是歐洲提出禁止PVDF的原因之一。

美國明尼蘇達大學雙城分校的環境工程師威廉 · 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，他補充道，為了制備分子帶，斯塔普的團隊使用了一種全氟和多氟烷基物質分子，這是另一種持久性含氟化合物，它對環境和人類健康都有影響。

到目前為止，斯塔普的團隊只對這些分子進行了小規模評估。美國北卡羅來納大學教堂山分校的化學家弗蘭克 · 萊布法斯（Frank Leibfarth）說，要擴大規模，就需要將水懸浮結構沉積到設備上，而不改變它們。他也沒有參與該研究，不過，他說：“與其他有機聚合物相比，這一進展已經具備了許多吸引人的特性。”

盡管面臨挑戰，但斯塔普相信，肽和PVDF的結合是成功的秘訣。他說：“這篇論文的概念要比偏二氟乙烯廣泛得多。或許還有其他不需要用到氟的解決方法。”他希望這種材料能為我們開啟一個嶄新的未來，屆時，技術不僅僅影響我們，而且能與我們融為一體。

資料來源 Science