Ludzka skóra jest jednym z najbardziej niesamowitych organów. Tak, przez biologów jest nazywana organem, bo spełnia jego cechy, a przy tym stanowi ok. 6 proc. masy ciała i powierzchnię 1,5-2 m2. Jest w stanie rozciągać się, regenerować, a także stanowi barierę przed bakteriami, wirusami, toksynami, promieniowaniem UV i innym “złem” otaczającego świata. Niestety, wciąż nie udało się nam stworzyć idealnej skóry syntetycznej, która znalazłaby zastosowanie nie tylko w transplantologii, ale i robotyce.
Zespół kierowany przez prof. Zhenana Bao z Uniwersytetu Stanforda stworzył wielowarstwową syntetyczną skórę z indywidualnie funkcjonalnymi warstwami o grubości zaledwie mikrona każda, a może nawet mniejszej. Na tyle małej, że stos 10 lub więcej warstw byłby nie grubszy niż kartka papieru. Jedna warstwa może wyczuwać ciśnienie, inna temperaturę, a jeszcze inna napięcie. Materiał różnych warstw można zaprojektować tak, aby wyczuwał zmiany termiczne, mechaniczne lub elektryczne. Szczegóły tego niezwykłego wynalazku opisano w Science.
Czytaj też: Sztuczna skóra, która odczuwa ból. Przełom dla medycyny i robotyki
Prof. Zhenan Bao mówi:
Pierwszą wielowarstwową, samoregenerującą się syntetyczną skórę elektroniczną opisaliśmy w 2012 roku. Od tego czasu na całym świecie pojawiło się duże zainteresowanie wielowarstwową skórą syntetyczną. To, co wyróżnia naszą pracę, to fakt, że warstwy same rozpoznają się i dopasowują do siebie podczas procesu gojenia, przywracając funkcjonalność warstwa po warstwie w miarę regeneracji. Istniejące samoregenerujące się skóry syntetyczne muszą być dopasowywane ręcznie – przez ludzi. Nawet niewielkie niedopasowanie warstw może zagrozić przywróceniu funkcjonalności.
Roboty z własną skórą, ale to jeszcze nie czas terminatorów
W czym tkwi sekret nowej skóry? Szkielet każdej warstwy został utworzony z długich łańcuchów molekularnych połączonych okresowo dynamicznymi (zmiennymi) wiązaniami wodorowymi, podobnymi do tych, które utrzymują razem podwójną helisę nici DNA. Kluczowe jest naprzemienne układanie poszczególnych warstw polimerowych.
Uczeni wykorzystali glikol polipropylenowy (PPG) i polidimetylosiloksan (PDMS), czyli po prostu silikon. Mają one podobne do gumy właściwości elektryczne i mechaniczne oraz biokompatybilność i mogą być mieszane z nano- lub mikrocząsteczkami, aby umożliwić przewodnictwo elektryczne. Wybrane polimery i ich odpowiednie kompozyty są niemieszalne, ale dzięki wiązaniom wodorowym dobrze przylegają do siebie, tworząc trwały, wielowarstwowy materiał.
Oba polimery po podgrzaniu miękną, ale zestalają się po ostygnięciu. W ten sposób można modyfikować proces gojenia syntetycznej skóry. W temperaturze pokojowej regeneracja tkanek trwa ok. tydzień, ale po podgrzaniu do “zaledwie” 70oC, gojenie dokonuje się w ciągu ok. 24 godzin.
Czytaj też: To się dzieje naprawdę. Robot zmienia kształt na żądanie i „ucieka” naukowcom z klatki
Mając gotowy prototyp, uczeni poszli o krok dalej, dodając materiały magnetyczne do warstw polimerowych, umożliwiając syntetycznej skórze nie tylko gojenie, ale także samodzielne składanie się z oddzielnych elementów.
Prof. Renee Zhao z Uniwersytetu Stanforda mówi:
W połączeniu z nawigacją sterowaną polem magnetycznym i ogrzewaniem indukcyjnym możemy być w stanie zbudować rekonfigurowalne miękkie roboty, które mogą zmieniać kształt i wyczuwać swoje odkształcenia na żądanie. Naszą długoterminową wizją jest stworzenie urządzeń, które mogą odzyskać sprawność po ekstremalnych uszkodzeniach. Wyobraźmy sobie na przykład urządzenie, które po rozdarciu na kawałki i rozerwaniu mogłoby się autonomicznie zrekonstruować
Jeśli chodzi przyszłość, zespół wyobraża sobie potencjalnie roboty, które mogłyby być połykane w kawałkach, a następnie samodzielnie montowane wewnątrz ciała w celu wykonywania nieinwazyjnych zabiegów medycznych. Inne zastosowania obejmują multisensoryczne, samoregenerujące się skóry elektroniczne, które dopasowują się do robotów i zapewniają im zmysł dotyku.