文章專區

想像一款像Apple Watch一樣，能監測步數與心跳的手環；或是具有內建空調、能幫助降溫的衣物；甚至是比傳統心律調節器更靈活、符合人體結構的植入裝置，這些正是「電活性」材料（electrically active）所具有的潛力！在近期刊登於《自然》（Nature）期刊的一篇研究中，來自美國西北大學（Northwestern University）的研究團隊開發出一款新型的電活性材料，這種「電動塑膠」（electric plastic）可以儲存能量或記錄資訊，為自供電的可穿戴式設備（self-powered wearables）、實時神經介面（real-time neural interfaces）、醫療植入物的研發提供了良好的開發基礎，有望使這些植入物更好地與身體融合。

大多數電子材料的性質較硬或含有毒金屬，不適合用於設計符合人體或可植入身體組織的設備。在1940年代發現的聚偏二氟乙烯 （polyvinylidene fluoride, PVDF）聚合物是少數可用於電子設備的軟性塑膠之一，擁有植入人體的潛力。它具有極性結構，也可以透過外部電壓的改變來切換方向。然而，PVDF的「鐵電」（ferroelectric）特性在高溫下並不穩定，且需要藉由高電壓來切換極性，使它的運行相當耗能。在本次的新研究中，研究團隊針對PVDF進行了調整，將胜肽（peptide）與小PVDF片段連接起來，自組裝成細長而柔韌的帶狀分子。而後這些分子會進一步聚集成束，並相互排列形成電活性材料。團隊成員表示，這項研究中最值得注意的部分是PVDF與胜肽的自組裝過程，可以透過加水而觸發。

這種新材料有效克服了PVDF的限制——相較於其他鐵電性材料，它在極性切換時所需的電壓降低了約100倍，非常適合低功率的應用；新型PVDF材料的鐵電性在110℃的高溫下仍可保持穩定，耐溫性比其他PVDF材料高出約40℃。團隊的研究結果也顯示，此材料能透過通電切換極性，進而儲存能量或訊息。由於多肽分子能與神經元或其他細胞蛋白結合，因此這種新的PVDF可用於記錄或刺激大腦、心臟等器官的訊號。若透過低功率工具，例如超音波技術為該分子「充電」，此材料還能具有刺激神經的潛力，可作為治療慢性癱瘓的新方法。

儘管PVDF是一種具有人體植入潛力、無毒的材料，但仍有些研究者擔心它對環境造成的長期影響。PVDF內含的氟化合物可能在環境中殘留數百年，而這也是歐洲地區提議禁用PVDF的原因之一。美國明尼蘇達大學（University of Minnesota）的環境工程師阿諾德（William Arnold）則指出，微生物有可能會將PVDF片段分解成一種新興的汙染物——三氟乙酸（trifluoroacetic acid），不過目前科學界對三氟乙酸的相關研究還不夠多，未能完全了解它可能對環境造成的危害。

目前，研究團隊僅進行小規模的分子評估。若想使這種PVDF成功商業化，團隊還需要在不改變PVDF性質的條件下，將懸浮在水中的結構沉積於設備上。儘管面臨重重挑戰，但團隊相信這種新材料的應用有望成為推動穿戴設備、醫療植入技術及環保電池革新的重要一環，在未來也有可能應用於其他科技領域中。

新聞來源
Atya, R. (21 October 2024). ‘Electric plastic’ could open door to new generation of implants and wearable tech. Science, https://www.science.org/content/article/electric-plastic-could-open-door-new-generationimplants-and-wearable-tech