(图片来源：Sci. Adv.)

甘氨酸-PCL纳米纤维由填充有取向的甘氨酸晶体的PCL基质组成(图1A)。因此，它们既可以利用甘氨酸晶体的高压电性，又可以利用PCL基质的轻便、灵活的特性来产生高压电输出的大应变。甘氨酸-PCL纳米纤维的制备过程如图1B所示。由于β-甘氨酸是甘氨酸的压电性最强的相，采用慢蒸发技术生长了β-甘氨酸针状晶体。然后在均质机中适当地研磨生长的晶体，直到尺寸(约500 nm)适合于静电纺丝过程。因为甘氨酸晶体不能直接静电纺丝，所以在这个过程中需要一个聚合物基质。发现PCL具有众所周知的安全性和低弹性模量，满足所有要求，以确保稳定和高的压电响应以及产生强大的超声的能力。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

图1C显示了PCL和甘氨酸-PCL纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像，显示了纤维的表面形态以及单个纳米纤维中甘氨酸晶体的存在。极小的甘氨酸颗粒均匀分布在PCL基质的整个纳米纤维膜上(图1D)。图1E显示了甘氨酸-PCL纳米纤维膜的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。与空白的PCL纳米纤维膜相比，甘氨酸带(氨基和羧基)在甘氨酸-PCL纳米纤维样品中明显出现在3155、2600和1583 cm⁻¹处。

为了确定晶相，作者对甘氨酸-PCL纳米纤维进行了X-射线衍射(图1F)。结果表明了使用PCL纳米纤维来稳定包被β-甘氨酸的好处，它表现出很强的压电效应，但如果没有这样的包被，在环境条件下通常不稳定并且很快转变为低压电性的α相。图1G显示出嵌入在极软的PCL基质的纳米纤维结构中的晶体具有相当大的改善的灵活性和甚至延伸性。此外，甘氨酸-PCL纳米纤维膜可以弯曲、拉伸、折叠和扭曲多次，突出了甘氨酸-PCL纳米纤维膜的灵活性和机械稳定性(图1H)。图1I显示了甘氨酸-PCL纳米纤维膜插入两个填充了PBS (pH=7.4)和DMEM的孔中并保持在生理温度(37 ℃)的两个序列图像。整合后的纳米纤维膜在PBS中降解均匀，没有断裂。而在DMEM中降解不那么均匀，有形成碎片的趋势。

图1. 甘氨酸-PCL集成纳米纤维的制备和表征

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该研究中使用三种方法制备了甘氨酸-PCL薄膜：溶剂浇铸、静电纺丝和动态静电纺丝。与其他方法的样品相比，动态静电纺丝薄膜具有特殊程度的纤维取向(有利于压电性)。随着薄膜中的晶体变得更加定向，WAXS图案从完整的德拜环变为部分环，证明PCL纤维和甘氨酸晶体的晶体取向(图2A)。动态静电纺丝样品(4000 rpm)显示出∼12 μm的显著位移，而相同厚度的溶剂浇铸和静电纺丝(0 rpm)样品没有可测量的位移(图2B)。这表明取向甘氨酸-PCL纳米纤维薄膜能够产生一种强大的致动器，可以在较高频率的施加电压下用于超声波应用。

通过评估由结晶β-甘氨酸和直接从原料甘氨酸粉(不生长β-甘氨酸晶体)制成的两个样品之间的逆压电性能(图2C-2D)，发现用结晶β-甘氨酸制备的甘氨酸-PCL薄膜的性能优于用原料甘氨酸粉末制备的样品。这证实了生长β-晶体的必要性，而不是简单地使用原始粉末进行静电纺丝。值得注意的是，甘氨酸-PCL 纳米纤维的压电性来自甘氨酸晶体而不是 PCL 基质(图2E)。如图2F所示，所有甘氨酸-PCL纳米纤维膜都会产生不同的声压，而不含甘氨酸的PCL膜只会产生噪声。在所有实验中，甘氨酸：PCL重量比为1:1的样品在相同的施加电压下提供了最高的输出和最高的转换信号。且甘氨酸-PCL纳米纤维膜在超声换能器等驱动应用中的性能优于其他纳米纤维膜(图2G)。

图2. 压电机制和压电性能

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如图3A所示，甘氨酸-PCL纳米纤维膜和PCL膜的活/死细胞数与对照组相似，说明甘氨酸-PCL纳米纤维膜无细胞毒性。此外，为了进一步证明甘氨酸-PCL纳米纤维膜的安全性，对相同的mADSCs进行了流式细胞术检测。所有组都表现出正常的行为，证明了甘氨酸-PCL纳米纤维膜的生物相容性(图3B-3C)。

图3. 甘氨酸-PCL薄膜的体外生物相容性评估

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植入的超声换能器最近已经成为一种有效和安全的方法，以促进将药物输送到大脑中的重复血脑屏障(BBB)开放。图4A介绍了一种可完全生物降解的超声换能器。所制备的超声设备由甘氨酸-PCL压电膜、钼(Mo)电极和电线制成，并包裹聚乳酸(PLA)层，经过一段可控的时间后，可以在体内安全地降解，以避免传统超声换能器经常需要的任何侵入性移除手术(图4B)。如图4C所示，将微泡注射到动物的尾静脉中，使气泡放大局部超声脉冲空化，瞬时破坏脑微血管内皮细胞之间的紧密连接，增加BBB的通透性。此外，对大脑进行免疫荧光分析，以检测葡聚糖的渗漏，葡聚糖渗透到受损的BBB中。对相距2 mm的浅层和深层两个冠状脑区域进行成像(图4D)。微血管(CD31)通过存在均匀的红色荧光(钙黄素AM)来区分，其中葡聚糖被明亮的绿色荧光(碘化BOBO-3)检测到。如图4E所示，通过甘氨酸-PCL换能器超声检测，可以小鼠大脑的各种微血管周围可以看到明显数量的葡聚糖。相反，在对照组小鼠的相同冠状切片上，没有观察到类似的信号(图4E)。小鼠模型中基于甘氨酸-PCL的换能器对 BBB 的显著破坏表明甘氨酸-PCL 压电薄膜在这种血脑药物输送应用中具有巨大潜力。

最后，作者进行了功能性实验以确定封装了90到260 μm厚的PLA的换能器的工作寿命，并证明了在37 °C的PBS中，根据封装厚度的不同，该器件的寿命为10到25天 (图4F)。因此，封装的PLA层允许以定义好的速率完全控制器件退化。所有被测试的器件在其预定的寿命内运行良好，并最终自我降解(图4G)。

图4. 用于体内BBB破坏和治疗递送的甘氨酸-PCL超声换能器

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为了进一步证明基于甘氨酸-PCL的超声换能器增强化疗药物向脑组织输送的能力，作者评估了携带原位GMB肿瘤的裸鼠的抗GBM活性。实验的感知和时间轴如图5A和5B所示。在开始时(第0天)，进行了开颅手术，并将肿瘤细胞接种到动物的脑中。然后，动物被随机分成四组。第10天，将可生物降解超声换能器植入并定位于开颅手术缺损处。超声后尾静脉注射PTX-PEG-PLA胶束，剂量为20 mg/kg。在16天内对动物进行6次治疗。未接受治疗的小鼠，或在没有超声治疗的情况下接受PTX治疗，作为假手术组。每隔2~4 d用IVIS(活体成像系统)监测肿瘤生长情况。在第31天，从每组中随机抽取两只动物进行组织学评估，并继续监测其余动物的存活分析。此外，进行了微型计算机断层扫描(CT)来跟踪植入到动物体内的设备(图5C)。如图5D所示，从甘氨酸-PCL换能器超声后接受配方PTX的动物在所有组中表现出最好的抗GBM活性。此外，Kaplan-Meier生存曲线分析(图5E)表明，甘氨酸-PCL装置超声联合PTX可显著延长动物的存活时间达72天，中位存活时间为65天，明显长于假手术组。此外，与所有其他治疗组相比，在甘氨酸-PCL换能器超声作用后接受PTX负载的PEG-PLA胶束治疗的小鼠的肿瘤最小(图5F-5G)。在整个治疗期间没有发现明显的体重下降和异常行为，表明该治疗的安全性很高。这些结果表明，基于甘氨酸-PCL的可生物降解的压电超声换能器可以为治疗基底膜的新策略提供一个安全而有力的平台。

图5. 用于治疗小鼠原位GMB肿瘤的甘氨酸-PCL超声换能器

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美国康涅狄格大学Thanh D. Nguyen & Horea Ilies & Kazem Kazerounian团队使用静电纺丝工艺大规模制造具有高度定向甘氨酸晶体的甘氨酸-PCL 纳米纤维。特别是，甘氨酸-PCL纳米纤维膜具有出色的“有效”压电系数d₃₃，为19 pC/N。基于甘氨酸-PCL纳米纤维的超声换能器产生显著水平的超声，可瞬时打开 BBB 并将药物模型(葡聚糖)深入脑组织。此外，使用这种基于甘氨酸-PCL的植入式超声换能器来协助递送配制的紫杉醇(PTX；一种对绕过BBB具有挑战性的化疗药物)来治疗携带原位GBM肿瘤模型的小鼠。且未发现甘氨酸-PCL 超声换能器治疗的显著副作用。总的来说，这种高压电、柔性、安全和可生物降解的甘氨酸纳米纤维薄膜不仅可以为GBM治疗提供有前途的策略，而且可以对许多医学应用产生显著影响，从药物输送、组织刺激和细胞工程到医疗植入设备，如作为传感器、执行器和换能器。