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Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) desenvolveu uma nova técnica para automontar uma fina camada de aminoácidos com orientação ordenada sobre uma grande área que demonstra alta resistência piezoelétrica, tornando a fabricação de biocompatíveis e microdispositivos médicos biodegradáveis, como marca-passo e biossensor implantável, em um futuro próximo possível.
A geração de bioeletricidade a partir do efeito piezoelétrico – conversão reversível entre energia mecânica e elétrica – tem significado fisiológico nos sistemas vivos. As cargas piezoelétricas geradas pela tíbia humana durante a caminhada estimulam a remodelação e o crescimento ósseo. Além disso, o potencial piezoelétrico nos pulmões gerado durante a respiração pode ajudar na ligação do oxigênio à hemoglobina.
Atualmente, a maioria dos materiais piezoelétricos são rígidos, quebradiços e alguns deles ainda contêm materiais tóxicos como chumbo e quartzo, tornando-os impróprios para implantação no corpo humano. Os biomateriais piezoelétricos, como os aminoácidos, são alternativas promissoras, pois exibem naturalmente biocompatibilidade, confiabilidade e sustentabilidade. No entanto, a manipulação de biomoléculas em escala com uma orientação alinhada para funcionar corretamente tem se mostrado difícil e permaneceu um desafio acadêmico internacional por 80 anos.
Enfrentando o desafio de longa data, uma equipe liderada pelo Prof. Zhengbao YANG, Professor Associado do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da HKUST, desenvolveu recentemente uma estratégia ativa de automontagem para adaptar filmes finos de biomateriais piezoelétricos por meio de nanoconfinamento sinérgico e in-situ poling. Ele permite que as biomoléculas se automontem em uma área muito grande com a mesma orientação. Mais importante, com base nessa nova técnica, a equipe descobriu que filmes de um tipo de aminoácido, β-glicina, exibem um coeficiente de deformação piezoelétrica aprimorado de 11,2 pmV−1que é o mais alto em comparação com os outros filmes biomoleculares.
Seus filmes biomoleculares piezoelétricos automontados são capazes de produzir sinais elétricos a partir do estresse mecânico produzido pelo alongamento muscular, respiração, fluxo sanguíneo e pequenos movimentos corporais. Sem a necessidade de baterias, eles simplesmente se dissolverão no corpo quando sua missão estiver concluída.
O Prof. Yang disse: “Nosso estudo mostra resposta piezoelétrica uniformemente alta e excelente termoestabilidade em todos os filmes de β-glicina. O excelente desempenho de saída, biocompatibilidade natural e biodegradabilidade dos filmes nanocristalinos de β-glicina são de implicações práticas para transientes de alto desempenho aplicações eletromecânicas biológicas, como biossensor implantável, fonte de alimentação de carregamento sem fio para eletrônicos bioabsorvíveis, chip inteligente e outros fins de engenharia biomédica.”
A equipe continuará a examinar maneiras de melhorar a flexibilidade do filme para corresponder aos tecidos biológicos e alcançar a produção em massa de baixo custo dos filmes piezoelétricos bioabsorvíveis. Eles também pretendem realizar experimentos em animais, para demonstrar aplicações biomédicas in vivo.
Este estudo é um trabalho colaborativo com a City University of Hong Kong e a University of Wollongong, na Austrália. Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente no Natureza Comunicações.
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