Μεταϋλικό-χαμαιλέων: Το μέλλον των εμφυτεύσιμων συσκευών

Ερευνητές με επικεφαλής τον Yong Lin Kong από το Πανεπιστήμιο Rice ανέπτυξαν ένα νέο μεταϋλικό με μοναδικές ιδιότητες: είναι μαλακό αλλά εξαιρετικά ανθεκτικό και μπορεί να αλλάζει μέγεθος και σχήμα με τηλεχειρισμό. Το επίτευγμα, που δημοσιεύθηκε στο Science Advances, θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά το μέλλον των εμφυτεύσιμων και καταπόσιμων ιατρικών συσκευών.

Τι είναι τα μεταϋλικά

Τα μεταϋλικά (metamaterials) είναι συνθετικές κατασκευές που δεν βασίζονται αποκλειστικά στη χημική τους σύνθεση αλλά κυρίως στη γεωμετρία και στη διάταξη των μικροσκοπικών τους στοιχείων. Η δομή τους καθορίζει τις ιδιότητες που συχνά δεν απαντώνται στη φύση.

Η ομάδα του Kong κατάφερε να δημιουργήσει ένα μεταϋλικό που συνδυάζει σταθερότητα και ευκαμψία με τρόπο που δεν είχε επιτευχθεί ποτέ πριν σε τόσο μαλακές δομές. Παρά την ελαστικότητά του, είναι πολύ ισχυρό: αντέχει φορτία που υπερβαίνουν πάνω από δέκα φορές το βάρος του, ενώ παραμένει λειτουργικό σε υψηλές θερμοκρασίες και σε χημικά επιθετικά περιβάλλοντα.

Το μυστικό της σχεδίασης

Η καινοτομία οφείλεται στον έξυπνο σχεδιασμό:

• Χρησιμοποιήθηκαν τραπεζοειδή τμήματα στήριξης και ενισχυμένες δοκούς, τα οποία δημιουργούν ένα “ενεργειακό φράγμα”.

• Αυτό επιτρέπει στη δομή να μένει “κλειδωμένη” στη νέα της μορφή, ακόμη κι αφού αφαιρεθεί η εξωτερική δύναμη που προκάλεσε την αλλαγή.

• Η ιδιότητα αυτή ονομάζεται πολυσταθερότητα (multistability), δηλαδή η ικανότητα ενός συστήματος να διατηρεί πολλαπλές σταθερές καταστάσεις.

Η ομάδα κατασκεύασε το μεταϋλικό με 3D εκτύπωση, δημιουργώντας αλληλοσυνδεόμενες μικροδομές από κεκλιμένες δοκούς και τμήματα στήριξης. Η διάταξη αυτή επιτρέπει ταχεία εναλλαγή ανάμεσα σε ανοιχτή (off) και κλειστή (on) μορφή, διατηρώντας την αλλαγή ακόμη και μετά την αφαίρεση του μαγνητικού πεδίου που τη δημιούργησε.

Γιατί είναι σημαντικό για την ιατρική

Οι τρέχουσες εμφυτεύσιμες και καταπόσιμες συσκευές συχνά προκαλούν:

• έλκη στομάχου,

• τραυματισμούς ιστών,

• φλεγμονές, λόγω των σκληρών και άκαμπτων εξαρτημάτων τους.

Το νέο μαλακό μεταϋλικό περιορίζει αυτούς τους κινδύνους, ενώ διατηρεί υψηλή ανθεκτικότητα.

Επιπλέον, το υλικό συνέχισε να λειτουργεί αξιόπιστα ακόμη και μετά από:

• παρατεταμένη μηχανική καταπόνηση,

• έκθεση σε όξινο περιβάλλον, όπως εκείνο του ανθρώπινου στομάχου.

Πιθανές εφαρμογές

Ο Kong τονίζει ότι η νέα τεχνολογία μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για συσκευές που θα ελέγχονται εξ αποστάσεως μέσα στο ανθρώπινο σώμα:

• Ακριβής εντοπισμός και σταθεροποίηση μιας συσκευής σε συγκεκριμένο σημείο του οργανισμού.

• Στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων, ώστε να φτάνουν ακριβώς εκεί όπου χρειάζονται.

• Εφαρμογή μηχανικών δυνάμεων σε βαθύτερους ιστούς, χωρίς επεμβατικές μεθόδους.

• Περισταλτικές κινήσεις, που επιτρέπουν σε μια συσκευή να μετακινείται ή να μεταφέρει υγρά με ελεγχόμενο τρόπο.

Ήδη, η ερευνητική ομάδα εργάζεται σε εφαρμογές για την αντιμετώπιση της παχυσαρκίας μέσω καταπόσιμων συστημάτων, αλλά και για την υγεία των θαλάσσιων θηλαστικών. Παράλληλα, συνεργάζονται με χειρουργούς του Texas Medical Center για να σχεδιάσουν ασύρματα συστήματα ελέγχου υγρών που καλύπτουν ανεκπλήρωτες κλινικές ανάγκες.

Η ερευνητική ομάδα

Η μελέτη είχε ως πρώτο συγγραφέα τον Taylor Greenwood, πρώτο μεταπτυχιακό φοιτητή του Kong, ο οποίος πλέον είναι μέλος ΔΕΠ στο Πανεπιστήμιο Brigham Young. Στην ομάδα συμμετείχαν επίσης οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Brian Elder και Jared Anklam, οι μεταδιδακτορικοί συνεργάτες Jian Teng και Saebom Lee, καθώς και άλλοι συνεργάτες του Advanced Materials Institute του Rice.

Το νέο μεταϋλικό του Πανεπιστημίου Rice συνδυάζει ευκαμψία, αντοχή και τηλεχειριζόμενη μεταμόρφωση, φέρνοντας πιο κοντά το μέλλον όπου τα εμφυτεύσιμα και καταπόσιμα ιατρικά εμφυτεύματα θα είναι πιο ασφαλή, πιο ακριβή και πιο προσαρμόσιμα στις ανάγκες του ασθενούς. Η ικανότητα να αλλάζουν σχήμα και μέγεθος μέσα στο σώμα, να παραμένουν σταθερά μετά την ενεργοποίηση και να λειτουργούν σε δύσκολες συνθήκες, τα καθιστά υποψήφια για μια νέα κατηγορία “έξυπνων” ιατρικών συσκευών που θα μπορούσαν να σώσουν ζωές.