Человеческая кожа, которая имеет свыше тысячи нервных окончаний является очень важным источником сигналов для мозга, помогая ему контактировать с внешним миром благодаря богатой обратной связи с помощью прикосновений, температуры и давления. Хотя эти сложные особенности делают кожу жизненно важным органом, они также затрудняют ее копирование.
Используя наноинженерные гидрогели, которые обладают настраиваемыми электронными и термическими биосенсорными возможностями, ученые из Техасского университета A&M разработали напечатанную с помощью 3D-печати электронную кожу (E-skin), которая очень эластична и может ощущаться, как человеческая.
Будущее использование E-skin обширно, включая использование ее в носимых медицинских устройствах, контролирующих на постоянной основе жизненно важные показатели, такие как движение, температура, частота сердечных сокращений и артериальное давление, обеспечивая обратную связь с пользователями и помогая им улучшить свои двигательные навыки и координацию.
«Вдохновение для разработки E-skin коренится в желании создать более совершенные и универсальные интерфейсы между технологиями, человеческим телом и окружающей средой», — сказал Гахарвар. «Самый интересный аспект этого исследования — его потенциальное применение в робототехнике, протезировании, носимых технологиях, спорте и фитнесе, системах безопасности и развлекательных устройствах».
Технология E-skin, подробно описанная в исследовании, опубликованном Advanced Functional Materials, была разработана в лаборатории Гахарвара. Доктор Кайвалья Део, бывшая студентка Гахарвара, а ныне научный сотрудник Axent Biosciences, и Шунак Рой, бывший докторант Фулбрайта Неру в лаборатории Гахарвара, являются ведущими авторами статьи.
Создание электронной кожи связано с проблемами разработки прочных материалов, которые могут одновременно имитировать гибкость человеческой кожи, содержать возможности биоэлектрического зондирования и использовать технологии изготовления, подходящие для носимых или имплантируемых устройств.
«Раньше жесткость этих систем была слишком высокой для тканей нашего тела, что предотвращало передачу сигнала и создавало механическое несоответствие на биотическом и абиотическом интерфейсе», — сказал Део. «Мы внедрили стратегию «тройного сшивания» в систему на основе гидрогеля, которая позволила нам устранить одно из ключевых ограничений в области гибкой биоэлектроники».
Использование наноинженерных гидрогелей решает некоторые сложные аспекты разработки электронной кожи во время 3D-печати благодаря способности гидрогелей уменьшать вязкость под действием напряжения во время создания электронной кожи, что упрощает обращение и манипулирование. Команда заявила, что эта функция облегчает создание сложных 2D и 3D электронных структур, что является важным аспектом воспроизведения многогранной природы человеческой кожи.
Ученые задействовали «атомный дефект» в наносборках дисульфида молибдена, материале, содержащем несовершенства в своей атомной структуре, обеспечивающие высокую электропроводность, и наночастицы полидофамина, чтобы искусственная кожа прилипала к влажным поверхностям.
«Эти специально разработанные наночастицы дисульфида молибдена действовали как сшиватели, формируя гидрогель и придавая электро- и теплопроводность электронной коже; мы первые, кто сообщил об использовании его в качестве ключевого компонента», — сказал Рой. «Способность материала прилипать к влажным тканям особенно важна для потенциальных применений в здравоохранении, где E-skin должна соответствовать и прилипать к динамическим, влажным биологическим поверхностям».
В число других сотрудников входят исследователи из группы доктора Лимей Тиана из отдела биомедицинской инженерии Техасского университета A&M и доктора Амита Джайсвала из Индийского технологического института в Манди.