niedziela, 17 listopada 2013 01:35

Sztuczna skóra Wyróżniony

Napisał 
Oceń ten artykuł
(6 głosów)

sztuczna skoraNaukowcy z całego świata od wielu lat rozwijają technologię, która jak wierzą zrewolucjonizuje świat medycyny, mowa tu o sztucznej skórze. Sztuczna skóra jest nazywana często także e-skórą, bądź skórą elektroniczną. Sama idea stworzenia tego urządzenia nie jest nowa. Do tej pory ze względu na złożone funkcje oraz właściwości skóry naturalnej przy konstruowaniu jej sztucznego odpowiednika napotykano na wiele przeszkód takich jak brak elastyczności, niewystarczająca czułość sensorów czy za duże zużycie prądu. Jednak zespoły badawcze nie poddają się i opracowują coraz to nowsze koncepcje oraz prototypy tego innowacyjnego urządzenia.

Ludzka skóra to jeden z bardziej skomplikowanych tworów naszego ciała, jest także największym narządem powłoki wspólnej. Ogólna powierzchnia skóry u człowieka wynosi od 1,5 do 2 m2. Skóra jest narządem pokrywającym i osłaniającym ustrój. Spełnia ona wiele czynności ochronnych: przed zakażeniem drobnoustrojami, przed czynnikami mechanicznymi, termicznymi, chemicznymi i promieniowaniem świetlnym, oraz zapewnia niezmienne warunki dla środowiska wewnętrznego organizmu.

Poza tym skóra spełnia czynność percepcyjną ciepła, bólu oraz dotyku ze środowiska zewnętrznego. Pełni także funkcję ekspresyjną w wyrażaniu stanów emocjonalnych, resorpcyjną oraz bierze udział w magazynowaniu i przemianie materii. Na dodatek jest elastyczna i posiada właściwości regeneracyjne. Można z tego wywnioskować, iż dokładne odtworzenie skóry naturalnej nie jest proste ze względu poziom skomplikowania jej struktury i nastręcza wielu problemów. Sztuczna skóra jest elektronicznym tworem inżynierów, który potrafi naśladować ludzką skórę na jeden lub wiele sposobów.

?Złote? sensory

skoraSensory dotyku, wilgoci i temperatury  w e-skórze to bardzo ważne elementy tej struktury, ponieważ  skóra naturalna działa jak siatka sensorów, odbiera i przekazuje bodźce ze środowiska zewnętrznego do mózgu i dzięki temu wiemy jak reagować na otoczenie. W Instytucie Technion w Izraelu powstał już prototyp skóry, posiadającej takie sensory. Zostały one zbudowane z nanocząsteczek złota o wymiarach 5-8 nanometrów otoczonych molekułami zwanymi ligandami, które ułożono na poli(tereftalanie etylenu), czyli po prostu na polimerze PET, plastiku znanego nam między innymi z opakowań spożywczych. Zgięcie warstwy sztucznej skóry zmienia odległość między cząsteczkami złota, a to sprawia z kolei, że zmienia się przewodnictwo prądu w danym miejscu. Zmiany te są rejestrowane oraz interpretowane przez następne czujniki, dzięki czemu otrzymujemy informacje jaki parametr i w którym miejscu uległ zmianie. Łatwo możemy też przestroić czułość całego systemu, zmniejszając, lub zwiększając grubość warstwy polimeru. E-skóra wynaleziona przez badaczy w Hajfie potrafi wykrywać nacisk już od dziesiątych części miligrama do dziesiątek gramów, a oprócz nacisku potrafi także wykryć wilgotność i temperaturę powietrza oraz obecność niektórych chemikaliów. Ponadto może dokonywać wielu takich pomiarów jednocześnie, na dużej powierzchni. A to wszystko wykorzystując minimalne napięcie, dzięki czemu do jej zasilania można użyć istniejących już baterii. Sensory, pomimo, że wykonane są w części ze złota są teoretycznie tanie w produkcji. Mogą znaleźć zastosowanie w protetyce, ale nie tylko. Szerokie możliwości daje także robotyka ze względu na to, iż obecnie roboty świetnie sprawują się w zakładach i fabrykach, gorzej natomiast przy wykonywaniu zadań  wymagających kontaktu z ludźmi, bądź przy niecałkowitej automatyzacji ich pracy. Pojawił się także pomysł na zastosowanie takich czujników w konstrukcjach budynków i mostów, aby w czasie rzeczywistym otrzymywać informacje o wszelkich mikropęknięciach struktury grożących wypadkiem.

Polimery zdolne do samo naprawy

samo gojaca skoraZ kolei badacze z Uniwersytetu Stanforda od przeszło 5 lat wdrażają w życie projekt stworzenia sztucznej skóry. Ostatnie doniesienia z roku 2010 mówią o bardzo czułej matrycy czujników nacisku. Następnie rok później usłyszeliśmy o stworzeniu rozciągliwych baterii słonecznych, które miałyby takową skórę zasilać. Natomiast ostatnim i chyba najbardziej spektakularnym odkryciem naukowców są polimery, które są zdolne do samo naprawy. Wiele dzisiejszych materiałów o zdolnościach samo naprawczych, potrzebuje do tego procesu specjalnych warunków jak wysoka temperatura czy promienie UV, natomiast materiał stworzony przez badaczy ze Stanfordu  naprawia się w temperaturze pokojowej bez żadnych dodatkowych czynników zewnętrznych. Kolejnym trudnym zadaniem była adaptacja tego materiału do przewodzenia impulsów elektrycznych, badacze dodali do struktury polimeru nanosiateczkę z niklu. Otrzymany w ten sposób materiał jest czuły na dotyk, giętki, ma właściwości samo naprawcze, a do tego przewodzi impulsy elektryczne. W trakcie testów polimer został pokrojony skalpelem, następnie obie części materiału zostały przytrzymane razem przez 15 sekund. Po upływie tego czasu okazało się, że przewodnictwo elektryczne w badanym fragmencie zostało przywrócone w aż 90 procentach. Natomiast po 10 minutach materiał był już naprawiony całkowicie i ponownie elastyczny. Sztuczna skóra przecięta nawet 50 razy w tym samym miejscu naprawiała się praktycznie bez strat wytrzymałościowych. Innowacyjny materiał nie jest jednak wystarczająco rozciągliwy. Nad tą cechą muszą popracować naukowcy, aby stworzyć sztuczną skórę - idealną.

Urządzenie diagnostyczne w tatuażu

e-skinW odróżnieniu od dwóch poprzednich omawianych urządzeń elektroniczna skóra stworzona przez grupę badawczą pod kierownictwem prof. Johna Rogersa na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign jest nie tyle tworem mającym zastąpić naszą skórę, ma się stać niemalże nową częścią naszego ciała. Elektroniczne urządzenie jest mniejsze niż znaczek pocztowy, ma przylegać do ludzkiej skóry niczym nietrwały tatuaż, a właściwościami fizycznymi przypomina naskórek. Zostało stworzone z myślą o nieinwazyjnym oraz wygodnym sposobie obserwacji medycznej wymagających specjalnej opieki pacjentów, jak na przykład wcześniaków. Nie jest to jednak jedyne zastosowanie dla tego urządzenia, ponieważ jest to swoiste połączenie ludzkiego ciała z elektroniką. Pomimo, że w dzisiejszych czasach urządzenia elektroniczne stają się coraz mniejsze, poręczniejsze oraz bardziej intuicyjne, to w dalszym ciągu, aby się nimi obsłużyć musimy je trzymać w ręku, dotykać, bądź gestykulować. Natomiast wykorzystując e-skórę możemy zintegrować człowieka z urządzeniem zewnętrznym, zacierając w ten sposób granicę między biologią, a elektroniką.

Największym wyzwaniem dla nanoinżynierów było dostosowanie sztywnych elementów elektronicznych do umieszczenia ich na delikatnej, elastycznej oraz rozciągliwej warstwie, którą można by było dopasować do powierzchni skóry. Zdecydowano się wykorzystać krzem, którego cienkie warstwy dobrze przewodzą prąd. Wykorzystywany jest do wytwarzania czipów (mikroprocesorów, mikrokontrolerów i innych układów scalonych), ogniw słonecznych oraz innych mikrourządzeń (np. mikrosystemów). Wadą tego materiału jest to, iż jest on kruchy, co znaczy, że łatwo może się złamać.  Jednak Rogers i jego koledzy z zespołu nadali materiałowi kształt miecha znanego z akordeonu (to ta część instrumentu, która wygląda jak poskładany arkusz gumy), dzięki temu możemy zwiększyć odległość między nićmi krzemu bez rozciągania samego materiału, co sprawia, że układ może pracować niezależnie od tego czy jest rozciągany. Z tak skonfigurowanego krzemu zostały wykonane potrzebne elementy elektroniczne, takie jak przewody, półprzewodniki, cienkie diody elektroluminescencyjne, ogniwa słoneczne, tranzystory i anteny. Wszystkie te elementy zostały ulokowane w plastycznej siatce, a następnie naukowcy umieścili cała tą warstwę między dwoma ochronnymi warstwami poliamidu (rodzaj polimeru). Ponadto cząsteczki polimeru i cząsteczki na powierzchni naskórka przyciągają się, co oznacza, że elektroniczna skóra jest na tyle cienka, że trzyma się na ciele tylko dzięki oddziaływań van der Waalsa, urządzenie nie potrzebuje więc kleju, ani żelu przewodzącego impulsy elektryczne. Przekłada się to na to, iż urządzenie praktycznie nie jest odczuwalne przez pacjenta noszącego je.

Poddawana testom sztuczna skóra pracowała skutecznie ponad 24 godziny między innymi na czole, przedramieniu,  klatce piersiowej, a nawet policzkach. Ponad to te samo urządzenie, ale umieszczone w różnych miejscach, daje inne rezultaty. Na przykład e-skóra przylegająca do przedramienia śledzi ruch oraz aktywność mięśni szkieletowych. Jeżeli umieścimy fragment na czole, urządzenie zapisuje działalność fal mózgowych. Natomiast czujnik ulokowany w okolicach serca da nam informacje o rytmie bicia serca.

Aparatura do monitorowania pracy serca w szpitalach jest niewygodna w użyciu dla pacjenta, a przede wszystkim nie jest to sprzęt przenośny. Było to także impulsem do stworzenia elektronicznej skóry - lekkiego, przenośnego i praktycznie nie odczuwalnego przez pacjenta urządzenia przytwierdzonego do skóry, które rejestruje różne parametry zdrowia. Po za odczytywaniem tętna oraz innych czynników diagnostycznych, elektroniczna skóra może działać jak opatrunek do leczenia ran, oparzeń oraz innych schorzeń dermatologicznych. Urządzenie może służyć także do elektronicznej stymulacji temperatury w okolicach rany, działało by wtedy jak inteligentny bandaż. Jeżeli chodzi o zastosowanie wewnątrz ciała, to w 2010 roku wprowadzono sztuczną skórę do serca pacjenta podczas operacji na otwartym sercu. Obwody elektroniczne mogą mierzyć przepływ krwi oraz dawać lekarzom sygnał o niewidocznych z zewnątrz problemach. Rzecz ma się podobnie z urządzeniem wszczepianym do powierzchni mózgu, które wykrywa elektryczne sygnały napadów epilepsji. Oprócz obserwacji sztuczna skóra mogła by wspomóc pacjentów na wiele innych sposobów. Pacjenci z chorobami krtani czy z niesprawnym narządem mowy mogliby się dzięki temu porozumiewać z otoczeniem, a w przypadkach zaników mięśniowych elektroniczna skóra mogła by służyć do stymulacji układu ruchu. Badacze myślą także o zastosowaniu e-skóry jako nowej drogi komunikacji człowieka z maszynami, bądź międzyludzkiej tylko za pomocą myśli. Otwiera to ogromne możliwości. Ludzie mogli by wtedy pracować razem, razem myśleć, a informacje były by przekazywane drogą impulsów elektrycznych prosto z ich umysłów.

W przyszłości badacze planują poprawić łączność bezprzewodową tych urządzeń oraz myślą nad zasilaniem ich ciepłem ludzkiego ciała.

Sztuczna skóra w protetyce

Dzisiejsze protezy są wyjątkowo sprawne, niektóre odczytują informacje z mięśni kikuta, bądź nawet nerwów. Są tak zaawansowane, że mogą naśladować czynności wykonywane zdrową kończyną. Pozwalają amputantowi wiązać buty, grać w karty, pisać na klawiaturze oraz wykonywać różne inne złożone czynności, bez większych kłopotów. Jednak ciągle są one jak drogi jednokierunkowe. Zbierają informacje od amputanta, lecz nie dostarczają mu ich. Proteza nie jest w stanie po prostu czuć, lecz elektroniczna skóra może to zmienić pozwalając osobom po amputacji doświadczyć zmian w środowisku zewnętrznym takich jak dotyk, wilgotność oraz temperatura jednocześnie. Dzięki temu będą mogli jeszcze lepiej sterować protezą oraz wykonywać wymagające większej precyzji czynności.

Pewnego dnia chirurdzy będą w stanie przywrócić człowiekowi utracone czucie za pomocą sztucznej skóry i wszystkie opisane w tym artykule urządzenia, materiały oraz badania nad nimi pomagają w realizacji tego celu. Miejmy nadzieje, że wszystkie trudności przy realizacji projektu e-skóry zostaną pokonane i będzie ona mogła być wykorzystywana we wszystkich zakresach opisanych przeze mnie.

Literatura

[1] An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications - B. C-K. Tee, C. Wang, R. Allen, Z. Bao,  Nature Nanotechnology, 2012.

[2] Encyklopedia Badań Medycznych - W. Pacek, Wydawnictwo Medyczne MAKmed, Gdańsk 1996.

[3] Computers get under our skin. - L. Sanders, 10 września 2011, Science News.

[4] 25th Anniversary Article: The Evolution of Electronic Skin (E-Skin): A Brief History, Design Considerations, and Recent Progress - Mallory L. Hammock, Alex Chortos, Benjamin C.-K. Tee, Jeffrey B.-H. Tok, Zhenan Bao , 22 październik 2013, http://baogroup.stanford.edu/

[5] Elektroniczna skóra nadzoruje pracę serca -  http://portal.abczdrowie.pl/

[6] http://sciencereview.berkeley.edu/

[7] Stanford?s Artificial Skin Project ? Now Self-Healing! - Scott Jung,  12 listopada 2012, http://www.medgadget.com/


Czytany 10682 razy Ostatnio zmieniany środa, 03 czerwca 2015 14:00
Marcin Dziemianowicz

Jest w trakcie studiów inżynierskich na Politechnice Białostockiej, na kierunku inżynieria biomedyczna, specjalność: protetyka, ortotyka i inżynieria rehabilitacji. Interesuję się głównie projektowaniem, nowymi technologiami w medycynie, protetyką specjalną, a także inżynierią oceaniczną

5 komentarzy

  • Link do komentarza quickstep piątek, 03 listopada 2017 10:19 napisane przez quickstep

    ciekawy artykuł

  • Link do komentarza eReSz sobota, 24 czerwca 2017 14:50 napisane przez eReSz

    probuje doszukać się w e-skórze właściwości indykacji na zewnątrz, - zawierającej monitoring poziomu cukru w krwi,
    co pozwoliło by udoskonalić drogi glukometr pod nazwą free style ....

  • Link do komentarza Smithc341 środa, 15 lutego 2017 09:40 napisane przez Smithc341

    You are my breathing in, I possess few blogs and very sporadically run out from to brand. cegakfdfaddbecac

  • Link do komentarza Smithd921 środa, 15 lutego 2017 09:39 napisane przez Smithd921

    What a video it is! In fact amazing and fastidious quality, please upload more video clips having such good quality. Thanks. dcgebdbeedcfaded

  • Link do komentarza Smithd914 środa, 15 lutego 2017 09:39 napisane przez Smithd914

    Thank you for another informative website. Where else could I get that kind of info written in such a perfect way? I've a project that I am just now working on, and I have been on the look out for such information. adkfeebgeeeffekd

Skomentuj

Upewnij się, że pola oznaczone wymagane gwiazdką (*) zostały wypełnione. Kod HTML nie jest dozwolony.

Najczęściej wyświetlane artykuły

  • Tomografia multimodalna - CT/PET, CT/MR, SPECT/CT - Zasada działania i zastosowania
    Począwszy od momentu skonstruowania pierwszego tomografu komputerowego przez Hounsfielda w 1968 roku rozwój tomograficznych technik obrazowania ciała ludzkiego polegał przede wszystkim na poprawie jakości uzyskiwanych danych obrazowych oraz zmniejszeniu czasu trwania badania. Z czasem pojawiły się nowe techniki, takie jak…
    w Sprzęt medyczny Czytaj dalej...
  • Portal Inżynieria Biomedyczna
    Portal Inżynieria Biomedyczna powstał dla miłośników dziedziny nauki jaką jest inżynieria biomedyczna. Znajdziesz u Nas wiele artykułów branżowych, nowości ze świata inżynierii biomedycznej, oferty pracy w Polsce i zagranicą, płatne praktyki dla studentów studiujących inżynierię biomedyczna. Redaktorzy Możliwości Kariera Zostań…
    w Inne
  • Implanty w leczeniu schorzeń kręgosłupa
    Kręgosłup, ze względu na funkcje jakie pełni w organizmie, jest niezbędnym narządem do prawidłowego funkcjonowania człowieka. Pomimo iż jest dobrze chroniony przez tkankę mięśniową jak i tłuszczową, często dochodzi do uszkodzenia (zarówno poprzez czynniki naturalne jak i losowe zdarzenia). Przywrócenie…
    w Biomateriały Czytaj dalej...
  • Inżynier biomedyczny - możliwości zatrudnienia
    Czy zastanawiałeś się kiedyś gdzie możesz pracować jako inżynier biomedyczny? Jakie możliwości zatrudnienia są w Polsce po kierunku inżynieria biomedyczna? Czy istnieje rynek pracy dla inżynierów biomedycznych i czy nie będziesz musiał wyjechać za granicę? W tym artykule częściowo spróbujemy…
    w Aktualności Czytaj dalej...
  • Tomografia Komputerowa - zasada działania
    Tomografia komputerowa (ang. Computed Tomography ? CT) jest systemem pośredniego obrazowania ? dokonywana jest rekonstrukcja obrazu na drodze obliczeń matematycznych. Badanie to pozwala na uzyskanie obrazów przestrzennych (wizualizacja narządów 3D) i przekroju badanego obiektu dzięki wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego. Tomografia komputerowa…
    w Sprzęt medyczny Czytaj dalej...

Top


Copyright © 2017 Portal Inżynieria Biomedyczna | Dobry start w inżynierii biomedycznej. Wszelkie prawa zastrzeżone.
Portal Inżynieria Biomedyczna