想象一下，能放進身體里的小型壓電力傳感器：它們能監測受損器官的生理壓力變化，或者幫助精準給藥、促進組織修復再生。最棒的是，它們不需電池供電，而且用完后身體能吸收降解，省去了再次開刀取出的麻煩。
然而，傳統的壓電材料，如無機陶瓷和有機聚合物，沒有理想的降解性和低細胞毒性。科學家發現氨基酸晶體是個好苗子——具有生物相容性，而且表現出優異的壓電特性。可問題是，這些晶體太小了，像一堆散沙，很難排整齊做成有用的設備。
來自南京大學的曹毅和薛斌找到了解決辦法：用一種叫“機械退火”的特殊處理技術，利用天然氨基酸晶體作為壓電材料，來設計制造全有機可生物降解的壓電力傳感器。他們把天然氨基酸晶體當原料，經過機械退火處理后，發電能力暴漲，其壓電常數可達到單晶粉末的12倍！不僅如此，處理后的晶體薄膜像手機貼膜一樣又平又滑，改善了晶體薄膜與電極的接觸，使器件產生的電信號又強又穩。
用這種技術做出來的“可吸收壓電力傳感器”，把它封裝后可用于體內連續監測肌肉收縮、呼吸起伏等動態變化長達4周，隨后逐漸降解，沒有引起身體發炎或其他中毒反應。這項突破給未來醫療帶來了新希望，為設計和制造用于潛在臨床應用的全有機、可生物降解力傳感器提供了一種途徑！
封裝力傳感器的制造：
機械退火晶體薄膜的制備：異亮氨酸溶于去離子水中配制成溶液，加熱后將溶液轉移至冰水浴中靜置形成晶核形成。隨后，用烘箱加熱收集晶體并干燥。將制備好的異亮氨酸晶體填充至片劑模具中，一定壓力下壓縮得到圓形薄膜狀晶體。其他氨基酸的晶體及機械退火晶體也采用相同方法制備。
PLA-PAN電極的制備：將聚乳酸（PLA）溶于二氯甲烷（DCM）中，得到PLA薄膜。這就是傳感器最外層的“保護膜”。光有保護膜還不夠，傳感器需要電極來收集微弱的電信號。研究員也有妙招：拿出做好的PLA薄膜，把其中一面浸到一種混合“魔法藥水”里（含有硫酸和苯胺）。經過處理后，原本絕緣的PLA薄膜表面就神奇地披上了一層能導電的聚苯胺（PAN），變身成了既能保護又能導電的“PLA-PAN復合電極”。
“核心動力源”的安置：壓電晶體薄膜
經過“機械退火”處理的氨基酸晶體薄膜是整個傳感器的“心臟”，負責把壓力變成電信號。制備一塊方形PLA薄膜，中間開孔。將晶體薄膜填入孔中，形成夾心層。將PLA-PAN電極切割成方形薄膜后，將夾心層夾在兩片PLA-PAN電極之間。為了確保整個器件密封性，用特制的PLA膠水（也是用PLA溶解制成的）仔細地涂抹在所有邊緣和表面，就像給“三明治”裹上一層保鮮膜。等膠水干了，一個完整的、密封的封裝力傳感器就誕生了！
體內版傳感器優化：
對于要真正植入體內的版本，科學家們做了些特別優化：為增強生物降解性，在PLA溶液中混合了八臂聚乙二醇胺鹽酸鹽（8-arm PEG-NH2·HCl (SUC)），并且晶體薄膜直接夾在兩片PLA-PAN電極之間（省去中間的PLA薄膜層），使用PLA膠水密封。聚乙二醇及其衍生物是目前為數不多的通過美國FDA認證的可用于生物醫藥產品的聚合物，具有極低的細胞毒性和良好的生物相容性。
經過實驗驗證，課題組設計的壓電力傳感器具有良好的生物相容性、長期穩定性和生物降解性。本研究首次提出機械退火策略，實現了大規模有序異亮氨酸晶體材料的制備。
該方法具有普適性，可推廣應用于設計制造其他基于生物材料的壓電薄膜。薄膜中晶相的高度有序排列，顯著提升了其宏觀層面的壓電常數；同時，平坦光滑的表面確保了與導電聚合物電極的緊密連接。因此，封裝后的力傳感器展現出高靈敏度和寬廣的力傳感范圍。
最近，研究人員利用肽及其衍生物，已探索出多種新型生物分子晶體，其壓電常數遠高于本研究所使用的材料。考慮到機械退火技術的通用性，通過用這些新型壓電生物材料替代異亮氨酸，有望進一步提升基于氨基酸的可生物降解力傳感器的性能。
研究中使用到的八臂聚乙二醇胺鹽酸鹽（8-arm PEG-NH2·HCl (SUC)）來自于廈門賽諾邦格生物科技股份有限公司。賽諾邦格擁有多種八臂(SUC)結構產品，歡迎大家咨詢~
Reference：
Cheng, Yuanqi, et al. "Boosting the piezoelectric sensitivity of amino acid crystals by mechanical annealing for the engineering of fully degradable force sensors." Advanced Science 10.11 (2023): 2207269.
