Israëlische onderzoekers - 'nanotech kan lichaamsenergie gebruiken om stroom op te wekken'

Moleculaire dynamica (MD) simulaties van Pro-Phe-Phe en Hyp-Phe-Phe assemblages. Foto Universiteit van Tel Aviv

Onderzoekers van Universiteit van Tel Aviv zeggen dat nieuwe Israëlische nanotechnologie energie in het menselijk lichaam zal "oogsten" en omzetten in elektriciteit om medische apparaten zoals pacemakers van stroom te voorzien.

Een nieuwe nanotechnologie-ontwikkeling door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv zal het mogelijk maken om elektrische stromen en spanning in het menselijk lichaam te genereren door de activering van verschillende organen (mechanische kracht).

De onderzoekers leggen uit dat de ontwikkeling een nieuw en zeer sterk biologisch materiaal omvat, vergelijkbaar met collageen, dat niet-toxisch is en geen schade toebrengt aan de lichaamsweefsels. De onderzoekers zijn van mening dat deze nieuwe nanotechnologie veel potentiële toepassingen in de geneeskunde heeft, waaronder het oogsten van schone energie om apparaten die in het lichaam zijn geïmplanteerd (zoals pacemakers) te bedienen via de natuurlijke bewegingen van het lichaam, waardoor batterijen niet meer nodig zijn.

De studie werd geleid door professor Ehud Gazit van de Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research aan de Wise Faculty of Life Sciences, de Department of Materials Science and Engineering aan de Fleischman Faculty of Engineering en het Centre for Nanoscience and Nanotechnology, samen met zijn laboratoriumteam, Dr. Santu Bera en Dr. Wei Ji.

Aan het onderzoek deden ook onderzoekers van het Weizmann Institute en een aantal onderzoeksinstituten in Ierland, China en Australië mee. De onderzoekers ontvingen naar aanleiding van hun bevindingen twee ERC-POC-grants om het wetenschappelijk onderzoek uit de ERC-grant te benutten dat Gazit eerder had gewonnen voor toegepaste technologie. Het onderzoek is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Communications.

Professor Gazit, tevens oprichter van het BLAVATNIK CENTER for Drug Discovery, legt uit: “Collageen is het meest voorkomende eiwit in het menselijk lichaam en vormt ongeveer 30% van alle eiwitten in ons lichaam. Het is een biologisch materiaal met een spiraalvormige structuur en een verscheidenheid aan belangrijke fysische eigenschappen, zoals mechanische sterkte en flexibiliteit, die in veel toepassingen nuttig zijn. Omdat het collageenmolecuul zelf echter groot en complex is, zijn onderzoekers al lang op zoek naar een minimalistisch, kort en eenvoudig molecuul dat op collageen is gebaseerd en vergelijkbare eigenschappen vertoont.

"Ongeveer anderhalf jaar geleden publiceerde onze groep in het tijdschrift Nature Materials een onderzoek waarin we met nano technologische middelen een nieuw biologisch materiaal ontwikkelden dat aan deze eisen voldoet. Het is een tripeptide - een zeer korte molecule genaamd Hyp-Phe-Phe die uit slechts drie aminozuren bestaat - in staat tot een eenvoudig proces van zelfassemblage om een ​​collageenachtige spiraalvormige structuur te vormen die flexibel is en een sterkte heeft die vergelijkbaar is met die van het metaal titanium", aldus professor Gazit.

"In de huidige studie hebben we geprobeerd te onderzoeken of het nieuwe materiaal dat we hebben ontwikkeld een ander kenmerk heeft dat collageen kenmerkt - piëzo-elektriciteit. Piëzo-elektriciteit is het vermogen van een materiaal om elektrische stromen en spanning te genereren als gevolg van de toepassing van mechanische kracht, of vice versa, om een ​​mechanische kracht te creëren als gevolg van blootstelling aan een elektrisch veld,” legt professor Gazit uit.

In het onderzoek creëerden de onderzoekers nano metrische structuren van het gemanipuleerde materiaal en oefenden ze met behulp van geavanceerde nano technologische hulpmiddelen mechanische druk uit. Uit het experiment bleek dat het materiaal inderdaad elektrische stromen en spanning produceert als gevolg van de druk.

Bovendien toonden kleine structuren van slechts honderden nanometers een van de hoogste niveaus van piëzo-elektrisch vermogen ooit ontdekt, vergelijkbaar of superieur aan die van de piëzo-elektrische materialen die tegenwoordig algemeen worden aangetroffen op de markt (waarvan de meeste lood bevatten en daarom niet geschikt zijn voor medische toepassingen) .

Volgens de onderzoekers is de ontdekking van piëzo-elektriciteit van deze omvang in een nano metrisch materiaal van groot belang, omdat het het vermogen van het geconstrueerde materiaal aantoont om als een soort kleine motor voor zeer kleine apparaten te dienen.

Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om kristallografie en computationele kwantummechanische methoden (density functional theory) toe te passen om een diepgaand begrip te krijgen van het piëzo-elektrische gedrag van het materiaal en daardoor de nauwkeurige engineering van kristallen voor de bouw van biomedische apparaten mogelijk te maken.

Professor Gazit voegt eraan toe dat: “de meeste piëzo-elektrische materialen die we tegenwoordig kennen, zijn giftige, op lood gebaseerde materialen, of polymeren, wat betekent dat ze niet milieu- en menselijk lichaamvriendelijk zijn. Ons nieuwe materiaal is echter volledig biologisch en daarom geschikt voor gebruik in het lichaam. Een apparaat dat van dit materiaal is gemaakt, kan bijvoorbeeld een batterij vervangen die energie levert aan implantaten zoals pacemakers, hoewel het van tijd tot tijd moet worden vervangen, zodat de pacemaker aanmerkelijk kleiner is."

"Lichaamsbewegingen - zoals hartslagen, kaakbewegingen, stoelgang of elke andere beweging die regelmatig in het lichaam plaatsvindt - zullen het apparaat opladen met elektriciteit, waardoor het implantaat continu wordt geactiveerd," aldus professor Gazit.

Als onderdeel van hun voortdurende onderzoek, proberen de onderzoekers nu de moleculaire mechanismen van het gemanipuleerde materiaal te begrijpen met als doel het immense potentieel ervan te realiseren en deze wetenschappelijke ontdekking om te zetten in toegepaste technologie. In dit stadium ligt de focus op de ontwikkeling van medische apparaten, maar professor Gazit benadrukt dat "milieuvriendelijke piëzo-elektrische materialen, zoals die we hebben ontwikkeld, een enorm potentieel hebben op een breed scala van gebieden omdat ze groene energie produceren met behulp van mechanische kracht die hoe dan ook wordt gebruikt.

"Een auto die over straat rijdt, kan bijvoorbeeld de straatverlichting aandoen. Deze materialen kunnen ook de loodhoudende piëzo-elektrische materialen vervangen die momenteel wijdverbreid worden gebruikt, maar die aanleiding geven tot bezorgdheid over de lekkage van giftig metaal in het milieu.”