Новая нанотехнология позволит нашему телу генерировать электрический ток

Созданный учеными искусственный белковый материал обладает такими же пьезоэлектрическими свойствами, как естественный коллаген.​

​Новая нанотехнология, разработанная международной исследовательской группой под руководством исследователей Тель-Авивского университета, позволит генерировать электрические токи и напряжение в человеческом теле за счет механической силы при активации различных органов.

Исследователи поясняют, что их разработка основана на применении нового и очень прочного биологического материала, похожего на коллаген, который нетоксичен и не причиняет вреда тканям организма. По их мнению, новая нанотехнология имеет множество потенциальных применений в медицине, включая сбор чистой энергии для питания имплантированных устройств (таких, как кардиостимуляторы) посредством естественного движения тела, устраняя необходимость в батареях.

Исследование проводилось профессором Эхудом Газитом из Школы биомедицины и исследований рака на факультете наук о жизни, отделения материаловедения и инженерии инженерного факультета и Центра нанонауки и нанотехнологий Тель-Авивского университета вместе с его лабораторной группой - д-р Санту Бера и д-р Вей Джи. В исследовании также приняли участие ученые и из Института Вейцмана и ряда исследовательских институтов в Ирландии, Китае и Австралии. В результате своих выводов исследователи получили два гранта ERC-РOC. Результаты работы ученых опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.

Проф. Газит, который также является директором-основателем Центра Блаватника по открытию новых лекарств, объясняет: «Коллаген - это самый распространенный белок человека, составляющий около 30% всех белков в нашем организме. Это биологический материал со спиральной структурой и множеством важных физических свойств (таких, как механическая прочность и гибкость), которые используются во многих областях. Однако, поскольку сама молекула коллагена очень большая и комплексная, исследователи давно искали короткую и простую молекулу, основанную на коллагене и обладающую аналогичными свойствами. 

Около полутора лет назад в журнале Nature Materials наша группа опубликовала исследование, в котором мы использовали нанотехнологические средства для создания нового биологического материала, отвечающего этим требованиям. Это трипептид - очень короткая молекула под названием Hyp-Phe-Phe, состоящая всего из трех аминокислот и способная к простому процессу самосборки с образованием коллагеноподобной спиральной структуры. Такая структура обладает высокой гибкостью, а по силе похожа на такой металл, как титан. Еще одна особенность коллагена - его пьезоэлектрический потенциал, и в этом исследовании мы провели, обладает ли наш новый материал такими же свойствами.

Пьезоэлектричество - это способность материала генерировать электрические токи и напряжение в результате приложения механической силы или, наоборот, создавать механическую силу в результате воздействия электрического поля».

В ходе исследования исследователи создали нанометрические структуры из своего 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 из когда-либо обнаруженных уровней пьезоэлектрических свойств, сравнимый или превосходящий общепринятые сегодня пьезоэлектрические материалы. При этом большинство из имеющихся сегодня пьезоэлектриков содержат свинец, и поэтому не годятся для использования в медицине.

Открытие такого пьезоэлектрического потенциала в нанометровом материале имеет большое значение, поскольку оно дает возможность использовать этот материал как крошечный "электромотор" для очень маленьких устройств. Исследователи намерены углубить свое понимание пьезоэлектрических качеств трипепдида, используя кристаллографию и вычислительные квантово-механические методы, чтобы научиться изготавливать кристаллы с точно установленными параметрами, подходящие для биомедицинских устройств.

Проф. Газит: «Большинство известных нам сегодня пьезоэлектрических материалов - либо токсичные свинцовые соединения, либо небезопасные для нашего организма и окружающей среды полимеры. Наш материал - полностью биологический и поэтому подходит для медицинского использования. Устройство, изготовленное из этого материала, может заменить батарею, которая снабжает энергией кардиостимулятор и нуждается в регулярной замене. Движения тела - сердцебиение, движения челюстей, дефекация или любые другие обычные регулярные движения организма - будут заряжать устройство и активировать имплант».

По его словам, "экологически чистые пьезоэлектрические материалы, такие, как наш, обладают огромным потенциалом в широком диапазоне областей, поскольку они производят экологически чистую энергию с помощью уже используемой механической силы. Например, машина, едущая по улице, может питать током уличные фонари."

Источник: MFA
Фото: David Shay/Wikimedia.org/CC BY-SA 2.5