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Smart Core/shell nanorod arrays for artificial skin

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Intelligente Haut mit exakten sensorischen Eigenschaften

Eine innovative künstliche Haut aus biokompatiblen Materialien reagiert ähnlich wie die menschliche Haut auf verschiedene Reize.

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Die menschliche Haut verfügt über ein hochentwickeltes und spezialisiertes sensorisches System, das Umweltreize erkennt und diese Informationen an das Gehirn weiterleitet. Natürliche Haut weist verschiedene Arten von Sinnesrezeptoren und Nervenendigungen auf, die es ihr ermöglichen, Temperatur und mechanische Reize zu registrieren. Die Haut ist auch zu taktilen Empfindungen fähig, das heißt, sie kann Beschaffenheit, Form und andere physische Merkmale von Objekten wahrnehmen, mit denen sie in Berührung kommt. Insgesamt versorgt die Haut den Körper mit einer Vielzahl sensorischer Informationen, die es uns ermöglichen, die Welt um uns herum auf komplexe Weise zu erleben und mit ihr zu interagieren. Obwohl im letzten Jahrzehnt bedeutende Fortschritte beim Verständnis dieses komplexen Systems erzielt wurden, ist die Entwicklung künstlicher Haut mit ähnlichen Eigenschaften und Funktionen wie die menschliche Haut ein relativ neues Gebiet mit enormem Potenzial. Eine ideale Kunsthaut sollte mehrere Eigenschaften aufweisen, die denen der natürlichen menschlichen Haut so nahe wie möglich kommen, darunter Biokompatibilität, mechanische Eigenschaften und sensorische Wahrnehmung.

Einbindung verschiedener Sensoren in eine neuartige künstliche Haut

Ziel des EU-finanzierten Projekts SmartCore war es, Temperatur-, Feuchtigkeits- und Drucksensoren in einer einzigen neuartigen künstlichen Haut zu vereinen und eine hohe räumliche Auflösung zu erreichen. „Um eine wirksame künstliche Haut zu schaffen, müssen Materialien verwendet werden, die über die richtigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften verfügen, und die Schichtstärke und Größe auf mikroskaliger Ebene durch verschiedene Techniken gesteuert werden“, erklärt die Forschungsleiterin Anna Maria Coclite. Das Forschungsteam entwickelte ein Hybridmaterial aus piezoelektrischem Zinkoxid und einem intelligenten Polymer. Ein piezoelektrisches Material ist ein Material, das ein elektrisches Signal erzeugt, wenn es seine Form ändert, und das daher in Druck-/Kraftsensoren verwendet werden kann, wie sie in Berührungsbildschirmen eingebaut sind. Das intelligente Polymer wurde so konzipiert, dass es auf Temperatur und Feuchtigkeit reagiert und seine Form verändert. Beide Materialien wurden in einer Kern-Schale-Nanostruktur untergebracht, wobei sich das intelligente Polymer im Kern und das Piezoelektrikum auf der Außenseite befand. Dadurch wurde sichergestellt, dass das erstere Material, wenn es seine Form aufgrund von Temperatur oder Feuchtigkeit änderte, Druck auf das Zinkoxid ausübt, was ein messbares Signal erzeugte.

Biokompatible Materialien und eine höhere Auflösung

„Die künstliche SmartCore-Haut besteht aus Materialien, die für den Körper unbedenklich sind, und sie kann mehrere Dinge gleichzeitig mit hoher Genauigkeit erfassen“, betont Coclite. Die menschliche Haut kann Objekte mit einer Mindestgröße von 1 mm2 wahrnehmen. Die künstliche SmartCore-Haut zeigte, dass die Empfindlichkeit von Flächen mit einer Größe von nur 0,25 mm2 gemessen werden kann. Besonders wichtig ist, dass die künstliche Haut von SmartCore zum ersten Mal auf drei Reize gleichzeitig reagiert (Druck, Temperatur und Feuchtigkeit). Dies liefert ganzheitliche Informationen über die Umgebung, ähnlich wie bei der menschlichen Haut.

Medikamentenabgabe über die Kunsthaut

Durch die Schaffung eines drahtlosen Systems wird es möglich sein, die von der Anordnung der Kern-Schale-Sensoren ausgehenden elektrischen Signale zu erfassen und einen echten Prototyp zu entwickeln, der zur Nutzung vorgeschlagen werden kann. Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt für künstliche Haut ist die Abgabe von Medikamenten mit steuerbarer Kinetik. Im Falle von SmartCore können Medikamente in die intelligenten Polymere eingebettet und freigesetzt werden, wenn sich diese aufgrund von Temperatur und Feuchtigkeit ausdehnen. Dies würde zu einer bedarfsgerechten Medikamentenabgabe durch den Körper führen, zum Beispiel bei Fieber oder Infektionsprozessen.

Schlüsselbegriffe

SmartCore, künstliche Haut, Temperatur, Feuchtigkeit, Polymer, piezoelektrisch, Sensor, Zinkoxid, Nanostruktur

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