Las capas de piel electrónica autorreparable se alinean automáticamente a medida que corta

La piel humana es increíble. Detecta temperatura, presión y textura. Es capaz de estirarse y saltar hacia atrás, una y otra vez. Proporciona una barrera entre el cuerpo y las amenazas externas: bacterias, virus, toxinas, radiación ultravioleta y más. Como tal, los ingenieros están ansiosos por crear cuero sintético. Imaginan robots y prótesis que tienen propiedades similares a las de la piel, entre las que destaca la notable capacidad de curación de la piel.

“Hemos logrado lo que creemos que es la primera demostración de un sensor de película delgada multicapa que se alinea automáticamente durante la cicatrización. Este es un paso crítico para imitar la piel humana, que tiene múltiples capas que se vuelven a ensamblar correctamente a medida que sana. proceso de curación”, dijo Chris Cooper, estudiante de doctorado. candidato en la Universidad de Stanford que, con el estudiante graduado Sam Root, fue coautor de un nuevo estudio publicado en Ciencia.

Las capas son cruciales para imitar las muchas características de la piel. “Es suave y elástico. Pero si lo perfora, lo corta o lo corta, cada capa sanará selectivamente para restaurar la función general”, dice Root. “Como el cuero real”.

La piel también está hecha de capas. Acaba de desarrollar mecanismos inmunológicos que reconstruyen el tejido con su estructura en capas original a través de un proceso complejo que involucra el reconocimiento y la señalización molecular.

“Con ‘piel’ real, las capas deben alinearse de forma natural y autónoma”, dice Cooper.

Root dice que un equipo dirigido por el profesor Zhenan Bao de la Universidad de Stanford podría crear una piel sintética de múltiples capas con capas funcionales individuales tan delgadas como una micra, o tal vez incluso menos. Lo suficientemente delgado como para que una pila de 10 o más capas no sea más gruesa que una hoja de papel. “Una capa puede sentir la presión, otra temperatura y otro voltaje”, dice Root. El material de las diferentes capas puede diseñarse para detectar cambios térmicos, mecánicos o eléctricos.

Enfoque innovador

“Informamos sobre la primera piel electrónica sintética autorreparable multicapa en 2012 para Nanotecnología de la naturalezadice Bao. “Desde entonces, ha habido mucho interés en el cuero sintético multicapa en todo el mundo”. Su trabajo actual se distingue por el hecho de que las capas se reconocen y se alinean con capas similares durante el proceso de curación, restaurando la funcionalidad capa por capa durante la curación. un ligero desplazamiento de las capas puede comprometer las funciones de restauración.

El secreto está en los materiales. La columna vertebral de cada capa está formada por largas cadenas moleculares unidas periódicamente por enlaces de hidrógeno dinámicos, similares a los que mantienen unida una doble hélice de ADN, lo que permite que el material se estire muchas veces sin romperse. El caucho y el látex son dos polímeros naturales muy conocidos, pero también existen innumerables polímeros sintéticos. La clave es diseñar las estructuras moleculares de los polímeros y elegir la combinación adecuada para cada capa: la primera capa de un polímero, la segunda capa de otro, y así sucesivamente.

Los investigadores utilizaron PPG (polipropilenglicol) y PDMS (polidimetilsiloxano, más conocido como silicona). Ambos tienen biocompatibilidad y propiedades eléctricas y mecánicas similares a las del caucho, y se pueden mezclar con nanopartículas o micropartículas para permitir la conductividad eléctrica. Lo que es más importante, los polímeros seleccionados y sus respectivos compuestos no se mezclan entre sí; aún no se mezclan entre sí, gracias a los enlaces de hidrógeno, se adhieren bien entre sí, creando un material duradero de varias capas.

Ambos polímeros tienen la ventaja de que se ablandan y fluyen cuando se calientan, pero se endurecen cuando se enfrían. De esta forma, al calentar la piel sintética, los científicos pudieron acelerar el proceso de curación. A temperatura ambiente, la curación puede demorar hasta una semana, pero cuando se calienta a solo 70 °C (158 °F), la autorregulación y la curación ocurren en aproximadamente 24 horas. Ambos materiales han sido cuidadosamente diseñados para tener respuestas viscosas y elásticas similares a las tensiones externas en el rango de temperatura respectivo.

“La piel también se cura lentamente. Me corté el dedo un día y todavía se estaba curando cuatro o cinco días después”, dice Cooper. “Para nosotros, lo más importante es que cura y restaura la función sin nuestro aporte o esfuerzo”.

Un paso mas alla

Con un prototipo exitoso, los investigadores dieron un paso más, colaborando con la profesora Renee Zhao de la Universidad de Stanford, agregando materiales magnéticos a sus capas de polímero, lo que permitió que la piel sintética no solo se curara sino que también se ensamblara a partir de partes separadas. “Combinado con la navegación guiada por campos magnéticos y el calentamiento por inducción”, dice Zhao, “podríamos construir robots blandos reconfigurables que pueden cambiar de forma y detectar su deformación a pedido”.

“Nuestra visión a largo plazo es crear dispositivos que puedan recuperarse de daños extremos. Por ejemplo, imagine un dispositivo que, al ser desgarrado y desgarrado, pueda reconstruirse a sí mismo”, dice Cooper, mostrando un video corto de varias piezas en capas. cuero sintético sumergido en agua. Las piezas unidas magnéticamente se acercan y eventualmente se vuelven a ensamblar. A medida que sanan, su conductividad eléctrica regresa y un LED conectado al material se enciende para demostrarlo.

Entre los próximos pasos, los científicos trabajarán para hacer que las capas sean lo más delgadas posible y crear capas con diferentes funciones. El prototipo actual fue diseñado para detectar presión, y se podrían incluir capas adicionales diseñadas para detectar cambios de temperatura o tensión.

En cuanto a la visión del futuro, el equipo potencialmente imagina robots que podrían tragarse en pedazos y luego autoensamblarse en el cuerpo para procedimientos médicos no invasivos. Otras aplicaciones incluyen pieles electrónicas multisensoriales y autocurativas que se adaptan a los robots y les dan un sentido del tacto.