科大团队研发开创性技术自组装高性能生物压电薄膜

科大机械及航空航天工程学系副教授杨征保（右）和其研究团队成员 [Download Photo]

香港科技大学（科大）领导的研究团队研发出新技术，可以使氨基酸在大面积上有序地自行组装一层薄膜。团队发现该生物薄膜具备高压电性能，或可在未来用以制成具生物相容性和可降解性的生物医学微型装置，例如心脏起搏器和可植入体内的传感器。

从压电效应——动能与电能间的相互转换——中产生的生物电在生命系统中具有生理意义，例如人类行走时胫骨产生的压电电荷会促进骨骼再生，而呼吸时肺部产生的压电电荷亦有助血红蛋白与氧气结合。

目前，大部分的压电材料都是低可塑性、脆弱的，有些甚至含有毒物质（例如铅和石英），所以不适合植入人体体内。生物压电材料具有天然的生物相容性、可靠性和环境可持续性，因此是最合适的替代品。然而，以一致的排序方向大规模操纵生物分子使其正常运作，八十年来一直是一个国际学术难题。

为解决这一长期挑战，由科大机械及航空航天工程学系副教授杨征保领导的研究团队，最近研发出一种自组装技术，透过协同的纳米限域技术和原位极化（见图），制造生物压电薄膜。它使生物分子能够在大面积自行组装，并且呈相同方向。更重要的是，团队在使用新技术下发现β-甘氨酸薄膜具有的压电应变系数，高达11.2pmV^-1，是目前所有生物压电薄膜中性能最高。

团队自组装的生物压电薄膜，能够从肌肉伸展、呼吸、血流和微小身体运动的机械应力中产生生物电。薄膜无需电池，在任务完成后能从体内自然分解。

杨教授表示：「我们的研究发现，整个β-甘氨酸薄膜展现出高压电效应和杰出的热稳定性。它的出色输出性能、天然生物相容性和生物可降解性，在高性能生物机械电应用，例如可植入体内的传感器、生物可吸收的无线充电装置、智能晶片和生物电子等具有重要意义。」

在未来，团队将继续研究如何提升薄膜的柔韧性以配合生物组织，以及大规模以低成本生产生物压电薄膜。此外，团队亦会进行动物实验，将研究成果进一步应用于生物医学。

这项研究计划是与香港城市大学和澳洲伍伦贡大学的研究团队共同合作完成。研究成果于最近发表在《自然通讯》学术期刊上。