Small:植入式可降解太赫兹超材料医疗装置

电磁超材料是一种可以调制电磁波的新型人工材料,它一般由制造在绝缘介质基底上周期性排列的亚波长金属谐振器组成。与传统自然界材料电磁特性主要由其原子或分子结构决定这一原理性常识不同,电磁超材料的电磁特性主要由金属共振单元阵列的结构决定。超材料虽然被称为材料,但其本质是一种人工谐振子阵列结构,其性能主要取决于这些谐振子的结构而非构建这些谐振子所使用材料本身的物理性质。随着研究的不断深入,对超材料的研究逐步从理论研究转到实际应用,新一代的超材料器件对光电子学,材料科学,天线工程和纳米光子学等都产生了积极的影响。目前在可调超材料器件,非线性超材料器件以及最近的量子超材料器件等方面都有了许多不错的研究成果,但生物超材料方面目前研究仍然较少。

近期中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎课题组及其合作者提出了一种基于蚕丝蛋白的生物集成超材料器件,它使用生物兼容性良好、介电性能佳的蚕丝蛋白薄膜作为基底,将可降解的金属材料如镁等在蚕丝蛋白基底上图形化,从而构建出可降解的超材料器件。该器件可通过定制蛋白基底和金属谐振环的降解速率实现不同的降解模式,如通过调控谐振环不同结构的降解速率可实现器件降解过程中谐振频率的定向偏移;通过对蚕丝蛋白基底的结晶程度进行调节,可对器件的整体降解速率进行调节,并通过谐振频率的变化来监控器件的降解程度。

此外,由于蚕丝蛋白薄膜具有良好的生物兼容性,能包裹药物分子并长期保持其活性,并且通过调节蚕丝蛋白薄膜降解速率还能控制掺入其中的药物分子的释放速率,因此开发蚕丝蛋白太赫兹超材料器件可作为药物缓释平台用于生物医疗等领域。作为一个原型演示,通过在超材料蛋白基底中掺入抗菌药物,制备出了可植入可吸收的太赫兹抗菌贴片,它能实现药物的可控缓释,同时能通过监测太赫兹谐振环降解带来的谐振频率变化实现对药物释放程度的实时监控,从而可用于感染后的抗菌治疗。该器件完全使用生物可降解材料制备而成,植入生物体后可以被完全吸收,无需二次手术取出,避免了二次手术带来的伤口感染等问题。植入式可降解太赫兹超材料器件在原位治疗、可控药物释放及实时监控等方面有着独特的优势,有望进一步应用于生物传感,健康医疗等领域。相关工作以“Implantable, Degradable, Therapeutic Terahertz Metamaterial Devices”为题,发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000294)上,并被选为当期的Front Cover。