هیدروژل نانویی که حرکات بدن را لحظه ای رصد می کند
به گزارش بیست و یکم، محققان دانشگاه شهید بهشتی با همکاری محققانی از دانشگاه خوارزمی، دانشگاه صنعتی دانمارک و دانشگاه ژنگژو موفق به توسعه نوعی هیدروژل رسانای نانویی شدند.
به گزارش بیست و یکم به نقل از ستاد نانو، این هیدروژل زیست الهام گرفته علاوه بر انعطاف پذیری و استواری مکانیکی بالا، می تواند حرکات بسیار ظریف بدن انسان را با دقت بالا شناسایی کند. محققان در ساخت این ماده از نانولوله های کربنی چنددیواره عامل دارشده، پلیمرهای طبیعی و چارچوب های دوگانه پیوندی بهره برده اند تا خاصیت هایی مانند خودترمیم شوندگی، رسانایی، چسبندگی و دوام بالا را بطور هم زمان در یک سامانه فراهم آورند. جهان به نقطه ای رسیده که حتی ژل هم باید هوشمند، رسانا، خودترمیم شونده و قابل چاپ سه بعدی باشد. احتمالا ژلاتین معمولی اینروزها احساس بی ارزشی می کند.
ابزارهای الکترونیکی نسل جدید دیگر قرار نیست فقط روی میز یا داخل جیب قرار بگیرند؛ آنها باید روی پوست، لباس یا حتی در تماس مستقیم با بدن انسان کار کنند. همین مساله سبب شده محققان در سرتاسر جهان به دنبال توسعه مواد نرم و هوشمندی باشند که بتوانند حرکات بدن را با دقت بالا تشخیص دهند و با این حال دوام و راحتی مناسبی داشته باشند.
در همین راستا، محققان دانشگاه شهید بهشتی با همکاری محققانی از دانشگاه خوارزمی، دانشگاه فنی دانمارک و دانشگاه ژنگژو موفق به طراحی و ساخت نوعی هیدروژل رسانای نانوکامپوزیتی شده اند که می تواند در سنسورهای پوشیدنی و سیستم های بی سیم پایش حرکات بدن مورد استفاده قرار گیرد.
هیدروژل ها موادی نرم و آب دوست هستند که مقدار زیادی آب را در ساختار خود نگه می دارند و از نظر بافت، شباهت زیادی به بافت های طبیعی بدن دارند. همین خاصیت سبب شده این مواد در سالیان اخیر در عرصه پزشکی، مهندسی بافت، سنسورهای زیستی و الکترونیک منعطف مورد توجه قرار گیرند. با این وجود، خیلی از هیدروژل های رایج با مشکلاتی مانند استواری پایین، رسانایی محدود، دوام کم یا ضعف در ترمیم ساختار مواجهند.
پژوهشگران این پروژه تلاش نموده اند با سودجستن از فناوری نانو و الهام از چارچوب های طبیعی، این محدودیت ها را برطرف کنند. بخش نانویی این پروژه در استفاده از نانولوله های کربنی چنددیواره عامل دارشده با گروه تیول نهفته است. این نانولوله ها که در مقیاس نانومتری ساخته می شوند، رسانایی الکتریکی بالایی دارند و می توانند شبکه ای رسانا و مقاوم درون هیدروژل ایجاد کنند.
در این مطالعه، محققان از نوعی واکنش شیمیایی موسوم به «کلیک تیول ـ ان» که با تابش فرابنفش فعال می شود، برای ساخت هیدروژل استفاده کردند. آنها در کنار نانولوله های کربنی، از پلیمرهای طبیعی مانند گوارگام اکسیدشده و هیدروکسی اتیل سلولز هم بهره گرفتند تا ساختار غائی علاوه بر رسانایی، زیست سازگار و منعطف باشد.
همچنین پلی دوپامین الهام گرفته از ساختار چسبنده صدف های دریایی در این سامانه به کار گرفته شد تا خاصیت چسبندگی هیدروژل افزایش یابد. یون های روی هم به عنوان عامل ضدمیکروبی به ساختار افزوده شدند تا امکان استفاده ایمن تر در کاربردهای زیست پزشکی فراهم گردد.
به گفته محققان، ساختار غائی دارای شبکه ای دوگانه از پیوندهای شیمیایی و فیزیکی است که همین مساله اهمیت بالای ی در بهبود خواص مکانیکی و عملکردی ماده بازی کرده است. این ساختار دوگانه سبب شده هیدروژل علاوه بر انعطاف پذیری بالا، مقاومت مکانیکی قابل توجهی هم داشته باشد.
نتایج آزمایش ها نشان داد این هیدروژل استحکامی در حدود ۲۶۱ کیلوپاسکال دارد و بعد از تغییر شکل، می تواند حدود ۹۴ درصد از ساختار اولیه خودرا بازیابی کند. همین طور این ماده توانسته عملکرد خودترمیم شوندگی مناسبی از خود نشان دهد؛ خاصیت ای که برای تجهیزات پوشیدنی اهمیت بالایی دارد، برای اینکه این ابزارها بطور مداوم تحت خم شدن، کشش و فشار قرار می گیرند.
یکی از مهم ترین خاصیت های این هیدروژل، حساسیت بالای آن در تشخیص حرکات بدن است. ضریب حساسیت ثبت شده برای این ماده حدود ۱۰٫۹۷ گزارش شده و سامانه توانسته حرکات مختلف بدن، از لرزش های ظریف گرفته تا خم شدن مفاصل را با دقت بالا شناسایی کند.
پژوهشگران همین طور عملکرد ضدخستگی مناسبی برای این ماده گزارش کرده اند. این هیدروژل توانسته در کرنش ۱۰۰ درصد و طی هزار چرخه عملکرد پایدار خودرا حفظ کند. زمان پاسخ دهی سریع در حدود ۱۲۰ میلی ثانیه هم از دیگر خاصیت های مهم این سامانه محسوب می شود؛ موضوعی که برای پایش لحظه ای حرکات بدن اهمیت زیادی دارد.
یکی دیگر از مزیت های مهم این فناوری، امکان تولید آن با هزینه نسبتاً پایین و در دمای اتاق است. بگفته محققان، پروسه ساخت این هیدروژل با فناوری چاپ سه بعدی هم سازگار است و همین مساله می تواند مسیر تولید انبوه و شخصی سازی تجهیزات پوشیدنی را هموارتر کند.
کاربردهای احتمالی این فناوری بسیار گسترده عنوان شده است. از سنسورهای پوشیدنی برای ورزشکاران و بیماران گرفته تا سیستم های پایش سلامت سالمندان، کنترل حرکات در رابط های انسان ـ ماشین و حتی توسعه پوست الکترونیکی، همگی می توانند از چنین موادی بهره ببرند.
پژوهشگران اعتقاد دارند ترکیب فناوری نانو با پلیمرهای زیستی و چارچوب های زیست الهام گرفته می تواند نسل جدیدی از تجهیزات الکترونیکی نرم و هوشمند را ایجاد کند؛ تجهیزاتی که مرز میان بدن انسان و ابزارهای دیجیتال را کم رنگ تر خواهند کرد. انسان ها زمانی فقط ساعت مچی می خواستند. حالا ابزارهایی می سازند که بتوانند کش بیایند، خودشان را ترمیم کنند، سیگنال عصبی را تشخیص دهند و حرکات بدن را بی سیم به کامپیوتر منتقل کنند. آینده ظاهراً تصمیم گرفته شبیه فیلمهای علمی تخیلی شود، فقط با مقاله های پژوهشی بیشتر و کابل های کمتر.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Facile fabrication of biomimetic and conductive hydrogels with robust mechanical properties and ۳D printability for wearable strain sensors in wireless human-machine interfaces در نشریه Chemical Engineering Journal به چاپ رسیده است. بطور خلاصه، در همین جهت، پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی با همکاری محققانی از دانشگاه خوارزمی، دانشگاه فنی دانمارک و دانشگاه ژنگژو موفق به طراحی و ساخت نوعی هیدروژل رسانای نانوکامپوزیتی شده اند که می تواند در حسگرهای پوشیدنی و سیستم های بی سیم پایش حرکات بدن مورد استفاده قرار گیرد. هیدروژل ها موادی نرم و آب دوست هستند که مقدار زیادی آب را در ساختار خود نگه می دارند و از نظر بافت، شباهت زیادی به بافت های طبیعی بدن دارند. این هیدروژل توانسته در کرنش ۱۰۰ درصد و طی هزار چرخه عملکرد پایدار خودرا حفظ کند.
منبع: بیست و یكم
این مطلب بیست و یکم را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان قرن بیست و یکم در مورد این مطلب