Projektowanie dla życia: inspirowana tekstyliami mikromanipulacja posuwa naprzód biomedycynę
Cały szereg postępów w biotechnologii opiera się na wykorzystywaniu zdolności do manipulowania biologią na poziomie mikroskopowym. Jednak te dziedziny, które wymagają ogromnej zręczności i zgodności materiałów, stają w obliczu istotnych przeszkód, które uniemożliwiają pełne wykorzystanie ich potencjału. Na przykład możliwość chwycenia komórek i tkanek w mikrochirurgii uzależniona jest zwykle od siły ssania mikropipet, co wiąże się z ryzykiem uszkodzenia z powodu ich sztywności oraz ograniczonej bądź zerowej kontroli nad użytą siłą. Poza tym mikrorobotyczne urządzenia napędzane silniczkami elektrycznymi bądź układami pneumatycznymi bywają nieporęczne, ciężkie, hałaśliwe, a co najważniejsze w funkcji interfejsu z człowiekiem sprawiają na użytkowniku wrażenie bardzo sztucznych. Partnerzy dofinansowanego ze środków UE projektu POLYACT postanowili uporać się z tymi niedogodnościami, uruchamiając mikroprodukcję polimerowych mikrosiłowników. Wywierające siłę w ten sam sposób, co mięśnie czy silniczki, ułożone w odpowiedni wzór siłowniki mogłyby posłużyć do miękkich, elastycznych mikromanipulacji w wielu różnych zadaniach. Mikroskopijne siłowniki są mniejsze o 1-2 rzędy wielkości od istniejących technologii. Produkcja na małą skalę W ramach projektu POLYACT opracowano, wyprodukowano i przetestowano dwie generacje miękkich i elastycznych mikrosiłowników oraz dwie nowe metody produkcji. Najpierw zespół zbudował indywidualnie sterowane milisiłowniki na cienkim filmie ze stałych elektrolitów polimerowych na bazie polifluorku winylidenu (PVDF SPE), ale okazało się, że bez wystarczająco wysokiego przewodnictwa jonowego nie można osiągnąć wymaganej elastyczności. Naukowcy musieli więc przeprojektować rozkład siłowników i wypróbować alternatywy wobec PVDF SPE, z których najlepszym kandydatem okazały się wzajemnie przenikające się sieci polimerowe (IPN). Zespół musiał także dostosować technikę układania elektrod polimerowych o dużej przewodności, odchodząc od podejścia opartego na metalu w stronę syntetyzowanych elektrochemicznie warstw polimerowych cechujących się przewodnością elektroniczną. Powstałe w ten sposób siłowniki wymagały jedynie niewielkiej mocy, rzędu 20-30 mW, i niskiego napięcia (~1-2 V), co umożliwiło niezależne sterowanie wyposażonymi we własne źródło zasilania narzędziami do mikromanipulacji. Na początku projektu POLYACT zespół podkreślił wkład, jaki podejmowane prace wnoszą w biomedycynę internistyczną. Naukowcy wspomnieli o zastosowaniach w interwencjach biomedycznych, jak optyczne przesłony i migawki, a zwłaszcza o zdalnie sterowanej technologii mikrorobotycznej wewnątrz ciała pacjenta, która pozwala obniżyć ryzyko powstania urazu w następstwie zabiegu chirurgicznego. Technologia miękkich manipulatorów daje jednak nadzieję na szerszą zmianę paradygmatu dzięki swoim możliwościom lepszego dostosowywania się do struktury i konsystencji obiektów biologicznych w porównaniu do dostępnych alternatyw. Powrót do przyszłości z „tekstylownikami” W zeszłym roku zespół projektowy opublikował w czasopiśmie »Science Advances« artykuł, w którym wyjaśnia, jak proces produkcji ułożonych we wzory siłowników można porównać z produkcją tekstyliów, nazywając swoje kreacje „tekstylownikami”. Przyjęty model pozwolił zespołowi wykorzystać wiedzę z zakresu produkcji tekstyliów dotyczącą właściwości względnych – jak wytrzymałość, elastyczność i odkształcenie – zależnych od splotu i/lub łączenia oczek, łącząc ją z projektowaniem. Przy założeniu wykonalności masowej produkcji, technologia POLYACT otwiera widoki na szereg zastosowań interfejsów urządzenie-człowiek. W artykule, który ukazał się w czasopiśmie »Science Advances« autorzy wskazują na innowacje w urządzeniach wspomagających, jak np. egzoszkieletowe stroje, ukryte pod wierzchnim ubraniem, ze zintegrowanymi siłownikami do noszenia na ciele, które dają poczucie naturalności i realności. Tekstylowniki mogłyby wspomagać funkcje mięśni ludzi z ograniczeniami ruchowymi, np. osób starszych bądź niepełnosprawnych. Wybiegając dalej w przyszłość, zespół mówi już o dodawaniu „przędzy czujnikowej do tkaniny”, która zapewniłaby mechanizm sprzężenia zwrotnego, umożliwiając użytkownikowi sprawowanie większej kontroli. Więcej informacji: strona projektu w serwisie CORDIS
Kraje
Szwecja
