Rozwój biokompatybilnej robotyki nowej generacji
Konwencjonalne roboty zbudowane są ze sztywnych części, które nie są kompatybilne z tkankami biologicznymi i zawierają toksyczne materiały. Odejście od tradycyjnej inżynierii na rzecz robotyki miękkiej wymaga opracowania nowych biokompatybilnych materiałów, co stanowi spore wyzwanie natury technologicznej. Materiały te znajdą zastosowanie w urządzeniach biomedycznych, protezach i elektronice ubieralnej, zmieniając nasze życie codzienne.
Biokompatybilne inteligentne materiały
Zespół projektu BIOACT miał za zadanie opracować miękkie przetworniki, które mogą zostać wykorzystane w inteligentnych urządzeniach biomedycznych. W ramach realizowanego przy wsparciu programu działań „Maria Skłodowska-Curie” badania zastosowano jonowe polimery aktywne elektromagnetycznie (ang. ionic electromechanically active polymers, IEAP). IEAP to inteligentne materiały, które zmieniają rozmiar lub kształt pod wpływem sygnałów elektrycznych. Najczęściej składają się one z mikroporowatej przepuszczającej membrany umieszczonej pomiędzy dwoma elektrodami. System jest wypełniony ciekłym elektrolitem jonowym, a IEAP kierują transdukcją pomiędzy prądem elektrycznym a deformacją mechaniczną, gdy jony z elektrolitu są wprowadzane do ich wnętrza. „Aby uzyskać biokompatybilne IEAP, wszystkie komponenty muszą charakteryzować się niską toksycznością i wysokim bezpieczeństwem”, wyjaśnia Kaija Põhako-Esko, stypendystka programu działań „Maria Skłodowska-Curie”. Zespół projektu BIOACT skupiał się na polimerach przewodzących, ponieważ to one wykazują największy potencjał w zakresie zastosowań medycznych. Naukowcy chcieli znaleźć optymalne połączenie materiałów, które będzie gwarantować bezpieczeństwo IEAP bez uszczerbku na wydajności. W tym celu opracowali i w pełni scharakteryzowali ciecze jonowe oparte na cholinie stanowiącej kluczowy składnik odżywczy, co sprawia, że ich toksyczność jest niska. Aby przygotować biokompatybilne siłowniki, połączyli oni te cholinowe ciecze jonowe z elektrodami polipirolowymi i membranami biopolimerowymi. Następnie przetestowali wydajność nowych materiałów i stwierdzili, że jest ona porównywalna z materiałami elektroaktywnymi zawierającymi toksyczne komercyjne ciecze jonowe.
Zalety i potencjał IEAP
Do zalet IEAP należy zaliczyć ich prostą, miękką i elastyczną strukturę, która imituje mechanikę tkanek biologicznych. Działają one przy bardzo niskim napięciu i mogą być zminiaturyzowane, dzięki czemu mają szansę znaleźć wiele zastosowań biomedycznych. Co więcej, aktywacja IEAP jest procesem opartym na jonach, podobnym do tych, które zachodzą w organizmie człowieka. Zespół projektu BIOACT pomyślnie opracował biologicznie bezpieczne siłowniki IEAP, które mogą funkcjonować w warunkach, temperaturze i pH panujących w orgazmie człowieka. „Chociaż dowiedliśmy, że biozgodne cholinowe ciecze jonowe mogą być wykorzystywane jako elektrolity w siłownikach IEAP, będziemy dalej kontynuować badania nad mieszaninami cieczy jonowych oraz farmakologicznie aktywnymi cieczami jonowymi”, podkreśla Põhako-Esko. Połączenie różnych cieczy jonowych pozwala na dostosowanie ich właściwości, co wpływa na wydajność siłowników. Ponadto wykorzystanie farmakologicznie aktywnych komponentów pozwoli na opracowanie wielofunkcyjnych materiałów dla systemów uwalniania leków. Aby ułatwić ten proces i wspomóc projektowanie cieczy jonowych o konkretnych właściwościach, zespół projektu BIOACT stworzył metodę obliczeniową, która umożliwia przewidywanie właściwości cieczy jonowych, w efekcie ograniczając liczbę koniecznych eksperymentów. Opracowane w ramach projektu innowacyjne IEAP otwierają nowe możliwości w dziedzinie inżynierii medycznej w zakresie biokompatybilnych urządzeń wielofunkcyjnych. Oczekuje się, że te inteligentne materiały spełnią wymagania związane ze starzeniem się społeczeństwa, znajdując zastosowanie w produkcji urządzeń wspomagających chód, implantów ślimakowych i inteligentnych cewników.
Słowa kluczowe
BIOACT, IEAP, ciecz jonowa, biokompatybilny, siłownik, cholina, zastosowanie biomedyczne, przetwornik, jonowe polimery aktywne elektromagnetycznie
