Camadas de pele eletrônica autorreparável se realinham de forma autônoma quando cortadas

A pele humana é incrível. Ele detecta temperatura, pressão e textura. É capaz de se esticar e voltar, uma e outra vez. E fornece uma barreira entre o corpo e ameaças externas – bactérias, vírus, toxinas, radiação ultravioleta e muito mais. Os engenheiros estão, portanto, ansiosos para criar pele sintética. Eles imaginam robôs e membros protéticos que têm qualidades semelhantes à pele – uma das quais é a notável capacidade de cura da pele.

“Conseguimos o que acreditamos ser a primeira demonstração de um sensor de filme fino multicamada que se realinha automaticamente durante a cicatrização. Este é um passo crítico para imitar a pele humana, que tem múltiplas camadas que se remontam corretamente durante o processo de cicatrização. processo de cura”, disse Chris Cooper, Ph.D. candidato da Universidade de Stanford que, juntamente com o pesquisador de pós-doutorado Sam Root, é co-autor de um novo estudo publicado na Ciência.

As camadas são essenciais para imitar as muitas qualidades da pele. “É macio e elástico. Mas se você perfurá-lo, cortá-lo ou cortá-lo – cada camada se curará seletivamente para restaurar a função geral”, diz Root. “Assim como a pele real.”

A pele também é formada por camadas. Ele acaba de desenvolver mecanismos imunológicos que reconstroem o tecido com a estrutura original em camadas por meio de um processo complexo envolvendo sinalização e reconhecimento molecular.

“Com a verdadeira ‘pele’, as camadas devem se realinhar de forma natural e autônoma”, diz Cooper.

Root diz que a equipe, liderada pelo professor Zhenan Bao, da Universidade de Stanford, pode ser capaz de criar uma pele sintética de várias camadas com camadas individualmente funcionais tão finas quanto um mícron cada, talvez menos. Fino o suficiente para que uma pilha de 10 ou mais camadas não seja mais espessa do que uma folha de papel. “Uma camada pode sentir pressão, outra temperatura e ainda outra tensão”, diz Root. O material de diferentes camadas pode ser projetado para detectar mudanças térmicas, mecânicas ou elétricas.

Uma nova abordagem

“Relatamos a primeira pele eletrônica sintética auto-reparável multicamada em 2012 em Natureza Nanotecnologia“Desde então, tem havido muito interesse em todo o mundo na busca de pele sintética multicamada.” O que diferencia seu trabalho atual é que as camadas se auto-reconhecem e se alinham com camadas semelhantes durante o processo de cicatrização, restaurando a funcionalidade camada por camada à medida que cicatrizam. As peles sintéticas auto-recuperáveis ​​existentes devem ser realinhadas manualmente — por humanos. Mesmo um leve desalinhamento nas camadas pode comprometer a recuperação funcional.

O segredo está nos materiais. A espinha dorsal de cada camada é formada por longas cadeias moleculares conectadas periodicamente por pontes dinâmicas de hidrogênio, semelhantes àquelas que mantêm unidas as duplas hélices de DNA, que permitem que o material se estique repetidamente sem se romper. A borracha e o látex são dois polímeros naturais bem conhecidos, mas também existem inúmeros polímeros sintéticos. A chave é projetar estruturas moleculares de polímeros e escolher a combinação certa para cada camada – a primeira camada de um polímero, a segunda de outro e assim por diante.

Os pesquisadores usaram PPG (polipropilenoglicol) e PDMS (polidimetilsiloxano, mais conhecido como silicone). Ambos têm propriedades elétricas e mecânicas semelhantes à borracha e biocompatibilidade e podem ser misturados com nano ou micropartículas para permitir a condutividade elétrica. Criticamente, os polímeros escolhidos e seus respectivos compósitos são imiscíveis – eles ainda não se misturam, devido à ligação de hidrogênio, eles aderem bem uns aos outros para criar um material multicamadas durável.

Ambos os polímeros têm a vantagem de que, quando aquecidos, amolecem e fluem, mas solidificam à medida que esfriam. Assim, ao aquecer a pele sintética, os pesquisadores conseguiram acelerar o processo de cicatrização. À temperatura ambiente, a cicatrização pode levar até uma semana, mas quando aquecida a apenas 70°C (158°F), o autoalinhamento e a cicatrização ocorrem em cerca de 24 horas. Os dois materiais foram cuidadosamente projetados para ter respostas viscosas e elásticas semelhantes ao estresse externo em uma faixa de temperatura apropriada.

“A pele também demora a cicatrizar. Cortei meu dedo outro dia e ainda estava cicatrizando quatro ou cinco dias depois”, diz Cooper. “Para nós, a parte mais importante é que cura para recuperar as funções sem a nossa contribuição ou esforço.”

Um passo a frente

Com um protótipo bem-sucedido, os pesquisadores deram um passo adiante, trabalhando com a professora Renee Zhao na Universidade de Stanford, adicionando materiais magnéticos às suas camadas de polímero, permitindo que a pele sintética não apenas cicatrizasse, mas também se auto-montasse a partir de peças separadas. “Combinando com navegação guiada por campo magnético e aquecimento por indução”, diz Zhao, “podemos construir robôs macios reconfiguráveis ​​que podem mudar de forma e sentir sua deformação sob demanda”.

“Nossa visão de longo prazo é criar dispositivos que possam se recuperar de danos extremos. Por exemplo, imagine um dispositivo que, quando despedaçado e rasgado, possa se reconstruir autonomamente”, diz Cooper, mostrando um pequeno vídeo de vários pedaços de estratificados pele sintética imersa em água. Atraídas magneticamente, as peças se aproximam umas das outras, eventualmente se remontando. À medida que curam, sua condutividade elétrica retorna e um LED preso no topo do material brilha para provar isso.

Entre as próximas etapas, os pesquisadores trabalharão para tornar as camadas o mais finas possível e criar camadas de funções variadas. O protótipo atual foi projetado para detectar pressão, e camadas adicionais projetadas para detectar mudanças de temperatura ou tensão podem ser incluídas.

Em termos de visão futura, a equipe imagina, potencialmente, robôs que poderiam ser engolidos em pedaços e depois se automontar dentro do corpo para realizar tratamentos médicos não invasivos. Outras aplicações incluem peles eletrônicas multissensoriais e autorrecuperáveis ​​que se ajustam aos robôs e fornecem a eles uma sensação de toque.