Los investigadores han desarrollado un método para fabricar sensores adaptativos y ecológicos que pueden imprimirse directa e imperceptiblemente en una amplia gama de superficies biológicas, ya sea un dedo o un pétalo de flor.
El método, desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge, se inspira en la seda de araña, que puede adaptarse y adherirse a una variedad de superficies. Estas “sedas de araña” también incorporan bioelectrónica, de modo que se pueden añadir diferentes capacidades de detección a la “red”.
Las fibras, al menos 50 veces más pequeñas que un cabello humano, son tan livianas que los investigadores las imprimieron directamente sobre la esponjosa semilla de un diente de león sin colapsar su estructura. Cuando se imprimen en la piel humana, los sensores de fibra se adaptan a la piel y exponen los poros del sudor, por lo que el usuario no detecta su presencia. Las pruebas de las fibras impresas en un dedo humano sugieren que podrían usarse como monitores continuos de salud.
Este método de bajo desperdicio y bajas emisiones para aumentar las estructuras habitables podría usarse en una variedad de campos, desde la atención médica y la realidad virtual hasta los textiles electrónicos y el monitoreo ambiental. El resultados se informan en la revista Nature Electronics.
Aunque la piel humana es notablemente sensible, aumentarla con sensores electrónicos podría cambiar fundamentalmente la forma en que interactuamos con el mundo que nos rodea. Por ejemplo, los sensores impresos directamente sobre la piel podrían usarse para un seguimiento continuo de la salud, para comprender las sensaciones de la piel o podrían mejorar la sensación de “realidad” en juegos o aplicaciones de realidad virtual.
Si bien las tecnologías portátiles con sensores integrados, como los relojes inteligentes, están ampliamente disponibles, estos dispositivos pueden resultar incómodos, molestos y pueden inhibir las sensaciones intrínsecas de la piel.
“Si se quiere detectar con precisión algo en una superficie biológica como la piel o una hoja, la interfaz entre el dispositivo y la superficie es vital”, dijo el profesor Yan Yan Shery Huang del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien dirigió la investigación. “También queremos bioelectrónica que sea completamente imperceptible para el usuario, de modo que no interfiera de ninguna manera con la forma en que el usuario interactúa con el mundo, y queremos que sea sostenible y que genere pocos residuos”.
Existen varios métodos para fabricar sensores portátiles, pero todos tienen inconvenientes. Los dispositivos electrónicos flexibles, por ejemplo, normalmente se imprimen en películas de plástico que no dejan pasar el gas ni la humedad, por lo que sería como envolver la piel en una película adhesiva. Otros investigadores han desarrollado recientemente dispositivos electrónicos flexibles que son permeables a los gases, como pieles artificiales, pero aún así interfieren con la sensación normal y dependen de técnicas de fabricación que consumen mucha energía y residuos.
La impresión 3D es otra ruta potencial para la bioelectrónica, ya que genera menos desperdicio que otros métodos de producción, pero conduce a dispositivos más gruesos que pueden interferir con el comportamiento normal. Al hilar fibras electrónicas se obtienen dispositivos imperceptibles para el usuario, pero sin un alto grado de sensibilidad o sofisticación, y difíciles de transferir al objeto en cuestión.
Ahora, el equipo dirigido por Cambridge ha desarrollado una nueva forma de fabricar bioelectrónica de alto rendimiento que se puede personalizar para una amplia gama de superficies biológicas, desde la punta de un dedo hasta la esponjosa semilla de un diente de león, imprimiéndolas directamente sobre esa superficie. Su técnica se inspira en parte en las arañas, que crean estructuras de red sofisticadas y fuertes adaptadas a su entorno, utilizando un mínimo de material.
Los investigadores hilaron su “seda de araña” bioelectrónica a partir de PEDOT:PSS (un polímero conductor biocompatible), ácido hialurónico y óxido de polietileno. Las fibras de alto rendimiento se produjeron a partir de una solución a base de agua a temperatura ambiente, lo que permitió a los investigadores controlar la “capacidad de hilado” de las fibras. Luego, los investigadores diseñaron un método de giro orbital para permitir que las fibras se transformen en superficies vivas, incluso en microestructuras como las huellas dactilares.
Las pruebas de las fibras bioelectrónicas, en superficies como dedos humanos y semillas de diente de león, demostraron que proporcionaban un rendimiento de sensor de alta calidad sin dejar de ser imperceptibles para el huésped.
“Nuestro enfoque de hilado permite que las fibras bioelectrónicas sigan la anatomía de diferentes formas, tanto a escala micro como macro, sin necesidad de reconocimiento de imágenes”, dijo Andy Wang, primer autor del artículo. “Abre un ángulo completamente diferente en términos de cómo se pueden fabricar sensores y dispositivos electrónicos sostenibles. Es una manera mucho más fácil de producir sensores de área grande”.
La mayoría de los sensores de alta resolución se fabrican en una sala blanca industrial y requieren productos químicos tóxicos en un proceso de fabricación de varios pasos que consume mucha energía. Los sensores desarrollados por Cambridge se pueden fabricar en cualquier lugar y utilizar una pequeña fracción de la energía que requieren los sensores normales.
Las fibras bioelectrónicas, que son reparables, se pueden lavar fácilmente cuando llegan al final de su vida útil y generan menos de un miligramo de residuos: en comparación, una sola carga típica de ropa produce entre 600 y 1.500 miligramos de residuos de fibra.
“Utilizando nuestra sencilla técnica de fabricación, podemos colocar sensores casi en cualquier lugar y repararlos donde y cuando lo necesiten, sin necesidad de una gran máquina de impresión o una instalación de fabricación centralizada”, afirmó Huang. “Estos sensores se pueden fabricar bajo demanda, justo donde se necesitan, y producen residuos y emisiones mínimos”.
Los investigadores dicen que sus dispositivos podrían usarse en aplicaciones que van desde el monitoreo de la salud y la realidad virtual hasta la agricultura de precisión y el monitoreo ambiental. En el futuro, se podrían incorporar otros materiales funcionales a este método de impresión de fibra, para construir sensores de fibra integrados para aumentar los sistemas vivos con funciones de visualización, computación y conversión de energía. La investigación se comercializa con el apoyo de Cambridge Enterprise, el brazo de comercialización de la Universidad.
La investigación fue apoyada en parte por el Consejo Europeo de Investigación, Wellcome, la Royal Society y el Consejo de Investigación en Biotecnología y Ciencias Biológicas (BBSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).
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2024-05-24 09:06:00
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