capas de uno mismo

1 de junio de 2023

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por Andrew Myers, Universidad de Stanford

La piel humana es increíble. Detecta la temperatura, la presión y la textura. Es capaz de estirarse y volver a saltar, una y otra vez. Y proporciona una barrera entre el cuerpo y las amenazas externas: bacterias, virus, toxinas, radiación ultravioleta y más. En consecuencia, los ingenieros están ansiosos por crear una piel sintética. Imaginan robots y miembros protésicos que tienen cualidades similares a la piel, entre las cuales se encuentra la notable capacidad de curación de la piel.

"Hemos logrado lo que creemos que es la primera demostración de un sensor de película delgada de múltiples capas que se realinea automáticamente durante la curación. Este es un paso crítico para imitar la piel humana, que tiene múltiples capas que se vuelven a ensamblar correctamente durante la curación". proceso de curación", dijo Chris Cooper, Ph.D. candidato de la Universidad de Stanford que, junto con el investigador postdoctoral Sam Root, es coautor de un nuevo estudio publicado en Science.

Las capas son fundamentales para imitar las muchas cualidades de la piel. "Es suave y estirable. Pero si lo perfora, lo rebana o lo corta, cada capa se curará de forma selectiva para restaurar la función general", dice Root. "Igual que la piel real".

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

"Con una verdadera 'piel', las capas deberían realinearse de forma natural y autónoma", dice Cooper.

Root dice que el equipo, dirigido por el profesor Zhenan Bao de la Universidad de Stanford, podría crear una piel sintética de varios niveles con capas funcionales individuales tan delgadas como una micra cada una, tal vez 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 presión, otra temperatura y otra tensión", dice Root. El material de diferentes capas se puede diseñar para detectar cambios térmicos, mecánicos o eléctricos.

"Informamos sobre la primera piel electrónica sintética autorreparable multicapa en 2012 en Nature Nanotechnology", dice Bao. "Desde entonces, ha habido mucho interés en todo el mundo por buscar una piel sintética multicapa". Lo que distingue a su trabajo actual es que las capas se reconocen a sí mismas y se alinean con capas similares durante el proceso de curación, restaurando la funcionalidad capa por capa a medida que se curan. Las pieles sintéticas autorregenerables existentes deben realinearse manualmente, por humanos. Incluso una ligera desalineación en las capas podría comprometer la recuperación funcional.

El secreto está en los materiales. La columna vertebral de cada capa está formada por largas cadenas moleculares conectadas periódicamente por enlaces de hidrógeno dinámicos, similares a los que mantienen unida la doble hélice de las hebras de ADN, que permiten que el material se estire repetidamente sin romperse. El caucho y el látex son dos polímeros naturales muy conocidos, pero también existen innumerables polímeros sintéticos. La clave es diseñar estructuras moleculares de polímeros y elegir la combinación correcta para cada capa: la primera capa de un polímero, la segunda 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. Fundamentalmente, los polímeros elegidos y sus respectivos compuestos son inmiscibles: aún no se mezclan entre sí, debido a los enlaces de hidrógeno, se adhieren bien entre sí para crear un material multicapa duradero.

Ambos polímeros tienen la ventaja de que cuando se calientan se ablandan y fluyen, pero se solidifican cuando se enfrían. Por lo tanto, al calentar la piel sintética, los investigadores 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 autoalineación y la curación ocurren en aproximadamente 24 horas. Los dos materiales se diseñaron cuidadosamente para tener respuestas viscosas y elásticas similares a la tensión externa en un rango de temperatura apropiado.

"La piel también tarda en sanar. Me corté el dedo el otro día y todavía estaba sanando cuatro o cinco días después", dice Cooper. "Para nosotros, la parte más importante es que se cura para recuperar funciones sin nuestro aporte o esfuerzo".

Con un prototipo exitoso, los investigadores llevaron las cosas un paso más allá, trabajando con la profesora Renee Zhao en la Universidad de Stanford, agregando materiales magnéticos a sus capas de polímero, permitiendo que la piel sintética no solo se cure sino que también se autoensamble a partir de piezas separadas. "Combinando con la navegación guiada por campo magnético y el calentamiento por inducción", dice Zhao, "podemos 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, cuando se rompa en pedazos y se desgarre, pueda reconstruirse a sí mismo de forma autónoma", dice Cooper, que muestra un video breve de varias piezas estratificadas. piel sintética sumergida en agua. Juntadas magnéticamente, las piezas avanzan poco a poco una hacia la otra y finalmente se vuelven a ensamblar. A medida que sanan, su conductividad eléctrica regresa y un LED conectado sobre el material brilla para demostrarlo.

Entre sus próximos pasos, los investigadores trabajarán para hacer que las capas sean lo más delgadas posible y para crear capas de función variable. El prototipo actual fue diseñado para detectar la presión, y se podrían incluir capas adicionales diseñadas para detectar cambios en la temperatura o la tensión.

En términos de visión de futuro, el equipo imagina, potencialmente, robots que podrían tragarse en pedazos y luego autoensamblarse dentro del cuerpo para realizar tratamientos médicos no invasivos. Otras aplicaciones incluyen pieles electrónicas autocurativas multisensoriales que se adaptan a los robots y les proporcionan un sentido del tacto.

Más información: Christopher B. Cooper et al, Alineación y curación autónomas en electrónica blanda multicapa utilizando polímeros dinámicos inmiscibles, Science (2023). DOI: 10.1126/ciencia.adh0619. www.science.org/doi/10.1126/science.adh0619