Biokompatybilne i ekologiczne materiały biomedyczne
Mikroukłady elektromechaniczne (ang. micro-electro-mechanical systems, MEMS) to miniaturowe urządzenia integrujące elementy elektryczne i mechaniczne. Ich unikalna zdolność do wyczuwania i manipulowania systemami biologicznymi w skali mikro przyczyniła się do tego, że są one stosowane w badaniach biomedycznych i praktyce klinicznej. Do wyrobów biomedycznych na bazie MEMS można zaliczyć czujniki ciśnienia do pomiaru ciśnienia wewnątrzczaszkowego, ciśnienia krwi i ciśnienia wewnątrzgałkowego. MEMS są również wykorzystywane w akcelerometrach używanych do pomiaru ruchu i wibracji w systemach biomedycznych. Tego rodzaju wyroby mogą też posłużyć do monitorowania aktywności fizycznej, chodu i drżenia u pacjentów z zaburzeniami ruchu. Co więcej, MEMS można połączyć z technologią mikroprzepływową na potrzeby analizy krwi, opracowywania nowych leków, diagnostyki w punktach opieki nad pacjentami, a także do precyzyjnego dostarczania leków.
Biokompatybilne materiały MEMS na bazie ceru
Wiele urządzeń MEMS wykorzystuje materiały piezoelektryczne, ponieważ mogą one generować ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne lub działać na odwrót. Przykładowo czujniki MEMS wykorzystują materiały piezoelektryczne jako element detekcyjny: gdy przyłoży się naprężenie mechaniczne, kryształ piezoelektryczny wytwarza ładunek elektryczny, który można zmierzyć i użyć do wykrycia zmian ciśnienia, przyspieszenia lub innych parametrów fizycznych. Większość z tych materiałów zawiera jednak toksyczny ołów, co wymusza znalezienie bardziej ekologicznych alternatyw. Zespół finansowanego przez UE projektu BioWings zajął się tym ograniczeniem poprzez wdrożenie nowych inteligentnych biokompatybilnych materiałów. „Przeanalizowaliśmy związki na bazie ceru jako przyjazne dla środowiska elektrostrykcyjne materiały alternatywne, które zmieniają kształt przy zastosowaniu pola elektrycznego. Mogą one być osadzane na innych podłożach, w tym metalach i materiałach elastycznych”, wyjaśnia koordynator projektu Nini Pryds. Ponadto związki tlenku ceru są w pełni kompatybilne z technologiami opartymi na krzemie i mogą przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii w wyrobach MEMS. Wszystkie te właściwości czynią je idealnymi kandydatami do zastosowań biomedycznych.
Wytwarzanie de novo materiałów piezoelektrycznych
Właściwości materiałów piezoelektrycznych wynikają z symetrii ich kryształu, co przez lata znacząco utrudniało odkrycie nowych materiałów tego rodzaju. Struktura kryształu musi być niesymetryczna, aby w wyniku działania bodźców zewnętrznych, takich jak ciśnienie, atomy mogły oddalić się od swojego położenia, tym samym tworząc dipol elektryczny. Zespołowi projektu BioWings udało się obejść to ograniczenie poprzez zastosowanie prądu zewnętrznego do przekształcenia materiałów niepiezoelektrycznych w piezoelektryczne. Otwiera to nowe możliwości projektowania materiałów piezoelektrycznych z przyjaznych dla środowiska źródeł.
Technologia cienkowarstwowa pozwoli ulepszyć kliniczne urządzenia diagnostyczne
Konsorcjum projektu opracowało również najnowocześniejszy proces projektowania na potrzeby osadzania cienkich warstw tlenku ceru na chipach. Rozwiązanie to może przyczynić się do ogromnych postępów związanych z urządzeniami akustyczno-fluidycznymi do zastosowań biomedycznych. Urządzenia te wykorzystują fale dźwiękowe do manipulowania płynami i tworzenia obszarów o różnym ciśnieniu, co z kolei powoduje ruch cząstek lub nawet ich separację. Stosuje się je do rozdzielania komórek biologicznych. Członkowie projektu BioWings z powodzeniem opracowali cienkie warstwy wykonane z tlenku ceru, które można osadzać bezpośrednio na chipie akustyczno-fluidycznym z dużą precyzją i powtarzalnością, nawet przy produkcji na dużą skalę. Według Prydsa: „Spodziewamy się, że ta przełomowa technologia przyczyni się do stosowania technologii akustyczno-fluidycznej w szpitalach i laboratoriach w zakresie rutynowej i opłacalnej diagnostyki i badań naukowych”.
Projekty następców BioWings
Zespół BioWings stworzył też projekty powiązane, PRISMA i AcouSome w celu przekształcenia swoich technologii w innowacyjne produkty. Wyniki uzyskane w ramach projektu można wykorzystać do ulepszenia urządzeń wszczepialnych, takich jak implanty ślimakowe, sztuczne siatkówki, interfejsy neuronowe, a także systemy podawania leków. Co więcej, materiały opracowane przez zespół BioWings są cennym źródłem wiedzy również dla sektorów innych niż opieka zdrowotna, takich jak mikroelektronika.
Słowa kluczowe
BioWings, MEMS, materiały piezoelektryczne, tlenki ceru, biokompatybilne, zastosowania biomedyczne, mikroukłady elektromechaniczne, urządzenia akustyczno-fluidyczne, cienkie powłoki