壓電晶體微桿的超聲合成 促進仿生凝膠礦化

大自然里的骨骼、貝殼和昆蟲外骨骼都通過一個稱為“礦物化”的自然過程變得堅固。這個過程涉及礦物質的沉積，使得這些生物結構不僅堅硬，還能適應環境壓力。科學家們正從這些自然現象中汲取靈感，開發新型的合成材料。他們在水凝膠中培育出類似于骨骼中的礦物質，這種材料在組織工程和再生醫學中非常有用。更進一步，他們利用3D打印等高級技術制造出具有復雜結構的礦化水凝膠。

一個特別有趣的例子是有研究者使用壓電效應來促進礦物化。芝加哥大學Aaron P. Esser-Kahn團隊發現當壓電材料受到壓力時，它們會產生電荷，這可以用來促使某些化學物質沉積成礦物。例如，ZnO納米顆粒在機械振動下可以促進硫醇-烯和硫醇-二硫化物反應，這種反應在有機溶液中進行，最終形成微型礦物結構。這項工作為定制具有機械性能的復合材料開辟了新路徑。

早在2021年，Aaron P. Esser-Kahn團隊就在Nature Materials 上報道過一項成果，即通過振動誘導交聯的仿生機械自適應材料。仿生材料的適應性可以通過機械響應的ZnO來控制。

進一步，他們開發了一種利用超聲波刺激促成ZnO壓電晶體微桿形成，制備無機礦物化聚合物復合材料的新方法。團隊通過改變壓電響應復合材料的機械性能，創造出能夠自發誘導礦物化以實現機械介導硬化的材料。該策略允許在聚合物基體中將球形的壓電納米顆粒批量轉化為棒狀微，并可以與各種聚合物基材和溶劑兼容。

圖1 晶體微桿形成過程

圖2 微棒在交聯聚合物有機凝膠中的原位生長

在這項研究中，研究團隊開發了一種通過超聲波攪拌，利用ZnO納米顆粒和McMT反應來合成晶體微桿的方法。進一步對這些微桿進行的化學表征明確顯示，它們是晶態的Zn(McMT)n復合物。此外，研究者還通過流變學和掃描電鏡成像技術來研究微桿的形成機制，發現了ZnO納米顆粒不僅是Zn²⁺離子的來源，還充當了晶體生長的成核點。研究者進一步展示了將這些微桿培育于聚合物溶液和有機凝膠中的兩種潛在應用，從而在合成有機環境中模擬生物礦化的過程。該工作近期發表在Nature Comuunications上，引起了不小的關注。

它的創新之處在于開發了一種通過超聲波攪拌促進ZnO納米顆粒和McMT反應的新方法，成功合成了具有獨特化學組成的晶體微桿。此外，該研究在合成有機環境中模擬生物礦化過程，并展示了如何控制微桿的生長和形態，為材料科學和生物醫學領域提供了新的研究方向和應用潛力。

該研究進一步展示了如何將生物界的礦物化過程應用到合成材料中，還為制造具有定制機械性能的復合材料開辟了新路徑。未來需要進一步研究不同條件下微桿的生長過程，以及如何實現形態可控。此外，還需要探索改善聚合物基質與微桿之間的結合方式進一步提升復合材料的機械性能。

團隊負責人Aaron Esser-Kahn是芝加哥大學分子工程學教授。他的主要研究興趣是免疫工程和改善疫苗接種中的免疫反應。在這里，他的團隊致力于通過更好地理解免疫反應和尋找新的方法來操縱和改善反應，從而改善先天免疫反應。他的另外一個研究領域是生物適應性材料。在這里，他的團隊致力于開發能夠模仿人體反應和適應外部環境的能力的材料，從而提供力介導的適應性。

參考文獻

1：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43733-x

2：https://pme.uchicago.edu/faculty/aaron-esser-kahn

3：https://www.nature.com/articles/s41563-021-00932-5