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NEW 物理系金星焕教授，利用丝绸蛋白质实现人工活体组织
- 2020-11-03
- 8067
2020-09-08
我校金星焕教授研究组成功利用丝绸蛋白质，实现了可以自主发展的人工活体组织。因此，有望成为附着在身体组织上的新一代健康护理元件。
亚洲大学教授金星焕（物理学系、研究生院能源系统学系）表示，利用丝绸蛋白质，成功实现了从人体运动中收获电能的生物亲和性人工皮肤。此次研究成果将刊登在能源领域著名学术杂志《纳米能源（Nano Energy）》8月23日的网络版上。论文的题目是《以工程制造的丝绸蛋白质体现的自体发电人工生物组织Self-powered artificial skin made of engineered silk protein hydrogel》。
最近，全世界范围内对可附着在人体组织上的新一代保健用电子元件的研究非常活跃。因为可以直接读取生物体信号并进行分析。为了体现这种用于保健的电子元件，需要像活体组织一样灵活增多的电子元件。对此，很多研究者在软基板上集成电极和电子元件，开发出了读取并分析多种人体信号的元件。这种元件被解释为人工模仿皮肤的电子元件，被称为"电子皮肤"。
为使"电子皮肤"独立驱动，自发电、电能供给是必不可少的。作为其方案之一，将基于人体动力的压力差异转换成电能的压电能量收获元件受到广泛关注。现有的压电材料大部分都是以无机物为基础的氧化物，具有根据结晶结构表现出高压电特性的优点。但是这些材料大部分没有亲身体验，而且人工皮肤缺乏柔软性。 相反，柔软的物质如果因压电特性（压力导致物质分子结构的变形），局部就会出现电荷，如果收获这些物质，就能确保电能。由于分子结构变形导致的生成电荷量越多压电特性越优秀的材料）不足，所以很难将两者兼容。
对此，金星焕教授研究组关注了构成活体组织的成分之一的蛋白质，其中最主要的是能够从自然中获取的丝绸蛋白质。蚕茧中提取的丝绸蛋白质具有生物亲和性，物理性、化学性优秀，是利用可能性高的生物高分子材料。
研究组为了改变丝绸蛋白质分子水平的物性，引进了甘油，使其重新诞生为透明、柔软的水化凝胶薄膜。由此，出现了与人体组织类似的物性，可以作为人工活体组织使用。
同时，金星焕教授组将新体现的透明丝绸蛋白质和氧化锌纳米棒相结合，最大程度地提高了压电性能。通过这种方法，可以稳定地连接到人体皮肤上，实现从触碰或关节弯曲等人体运动中收获电能的压电元件。利用研究组开发的压电元件，可以获得足够的能量来充电和驱动LED或血液中氧浓度测定器等小型电子设备。研究组开发的压电元件可以应用于电子机器上的触控传感器和感知人体移动的动作传感器。
金星焕教授表示:"虽然从人体获得能量的研究取得了很多进展，但是生物体适合性及与生物体组织之间的接口问题一直相对被忽视"，"可以利用生物体构成成分蛋白质，提供克服生物体组织和电子元件不同物性差异的接口"。
金教授接着补充说:"此次开发的材料技术表明生物材料在电子元件的实现上也能适用，具有重大意义"，"今后可以适用于多种保健元件和软机器人领域"。
（图片说明）自体发电人工生物组织模型图。它附着在人体皮肤上，捕捉人体的动向，并从其动作中收获电能。这样收割的电能量足够驱动小型机器。
(注:本文出现的所有人名均系音译)