工程師利用肌肉力量進行治療

生物工程師已經(jīng)開發(fā)出生物相容性發(fā)電機，當(dāng)身體運動壓縮時會產(chǎn)生電脈沖。發(fā)電機由自組裝的“壓電晶片”組成，可以快速且廉價地制造，以廣泛使用肌肉動力機電療法。

陶瓷和晶體等壓電材料具有在機械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電荷的特殊性質(zhì)。它們用于許多設(shè)備，包括超聲波換能器、振動傳感器和手機。在醫(yī)學(xué)上，使用壓電設(shè)備的電刺激已被證明有利于加速傷口和骨折的愈合、保持中風(fēng)患者的肌肉張力以及減輕慢性疼痛。然而，缺乏生物相容性——導(dǎo)致僵硬和毒性——阻礙了該領(lǐng)域的進展。

現(xiàn)在威斯康星大學(xué)材料科學(xué)與工程系的生物工程師已經(jīng)開發(fā)出可植入的壓電治療設(shè)備。的晶片-變薄，柔性裝置采取的一個事實，即非剛性的，無毒的生物材料，例如絲，膠原和氨基酸也具有壓電特性的優(yōu)勢。

該團隊由材料科學(xué)與工程教授王旭東博士領(lǐng)導(dǎo)，創(chuàng)建了一種使用氨基酸賴氨酸作為壓電發(fā)生器的小型貼片狀結(jié)構(gòu)的自組裝方法。自組裝過程結(jié)合了生物相容性聚合物殼，當(dāng)聚合物/賴氨酸溶液蒸發(fā)時，該殼圍繞賴氨酸。賴氨酸內(nèi)層和聚合物涂層之間的化學(xué)相互作用對于將賴氨酸定向為彎曲時產(chǎn)生電流所必需的晶體結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

“這項工作是利用材料的化學(xué)特性來創(chuàng)造自組裝產(chǎn)品的一個杰出例子，”美國國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所發(fā)現(xiàn)科學(xué)與技術(shù)部主任 David Rampulla 解釋說，該部門支持研究。“所使用的過程快速且成本低廉，使得用于治療應(yīng)用的此類晶片的生產(chǎn)變得可行。晶片是可生物降解的，這為創(chuàng)造可用于加速受傷骨骼或肌肉愈合的電療法開辟了可能性，例如，然后降解并從身體中消失。”

該團隊對壓電晶片的特性進行了多次測試。晶片被放置在大鼠的腿和胸部。腿部運動和胸部運動充分壓縮壓電晶片以產(chǎn)生電輸出。在移植的晶片溶解在大鼠體內(nèi)后進行的血液測試顯示血細胞和其他代謝物水平正常，表明溶解的裝置沒有有害影響。

Wang 強調(diào)了團隊優(yōu)雅工作的簡單性，這些工作可以將肌肉運動轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡芨淖冇螒蛞?guī)則的治療方法。“我們相信該技術(shù)開辟了廣泛的可能性，包括實時傳感、傷口和其他類型損傷的加速愈合，以及治療疼痛和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的電刺激。重要的是，我們的快速自組裝技術(shù)大大降低了成本此類設(shè)備有可能極大地擴大這種非常有前途的醫(yī)療干預(yù)形式的使用。”

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