Schichten des Selbst

1. Juni 2023

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von Andrew Myers, Stanford University

Die menschliche Haut ist erstaunlich. Es erkennt Temperatur, Druck und Textur. Es ist in der Lage, sich immer wieder zu dehnen und zurückzufedern. Und es stellt eine Barriere zwischen dem Körper und äußeren Bedrohungen dar – Bakterien, Viren, Toxine, ultraviolette Strahlung und mehr. Ingenieure sind daher bestrebt, synthetische Haut zu schaffen. Sie stellen sich Roboter und Prothesen vor, die hautähnliche Eigenschaften haben – nicht zuletzt die bemerkenswerte Fähigkeit der Haut, zu heilen.

„Uns ist die unserer Meinung nach erste Demonstration eines mehrschichtigen Dünnschichtsensors gelungen, der sich während der Heilung automatisch neu ausrichtet. Dies ist ein entscheidender Schritt hin zur Nachahmung der menschlichen Haut, die aus mehreren Schichten besteht, die sich während der Heilung alle wieder korrekt zusammensetzen.“ Heilungsprozess", sagte Chris Cooper, ein Ph.D. Kandidat an der Stanford University, der zusammen mit dem Postdoktoranden Sam Root Co-Autor einer neuen Studie ist, die in Science veröffentlicht wurde.

Die Schichtung ist entscheidend, um die vielen Eigenschaften der Haut nachzuahmen. „Es ist weich und dehnbar. Aber wenn man es durchsticht, in Scheiben schneidet oder schneidet, verheilt jede Schicht selektiv mit sich selbst, um die Gesamtfunktion wiederherzustellen“, sagt Root. „Genau wie echte Haut.“

Auch die Haut besteht aus Schichten. Es hat gerade Immunmechanismen entwickelt, die das Gewebe durch einen komplexen Prozess, der molekulare Erkennung und Signalübertragung umfasst, mit der ursprünglichen Schichtstruktur wieder aufbauen.

„Bei echter ‚Haut‘ sollten sich die Schichten auf natürliche und autonome Weise neu ausrichten“, sagt Cooper.

Root sagt, dass das Team unter der Leitung von Professor Zhenan Bao von der Stanford University möglicherweise in der Lage sein könnte, mehrschichtige synthetische Haut mit individuell funktionellen Schichten zu schaffen, die jeweils nur einen Mikrometer dünn sind, vielleicht sogar weniger. Dünn genug, dass ein Stapel aus 10 oder mehr Schichten nicht dicker als ein Blatt Papier wäre. „Eine Schicht könnte Druck, eine andere Temperatur und noch eine andere Spannung spüren“, sagt Root. Das Material verschiedener Schichten kann so konstruiert werden, dass es thermische, mechanische oder elektrische Veränderungen erkennt.

„Wir haben 2012 in Nature Nanotechnology über die erste mehrschichtige selbstheilende synthetische elektronische Haut berichtet“, sagt Bao. „Seitdem besteht weltweit großes Interesse daran, mehrschichtige synthetische Haut zu entwickeln.“ Das Besondere an ihrer aktuellen Arbeit ist, dass sich die Schichten während des Heilungsprozesses selbst erkennen und sich an ähnliche Schichten anpassen, wodurch die Funktionalität Schicht für Schicht wiederhergestellt wird, während sie heilen. Bestehende selbstheilende Kunststoffhäute müssen manuell neu ausgerichtet werden – von Menschen. Selbst eine geringfügige Fehlausrichtung der Schichten kann die funktionelle Wiederherstellung beeinträchtigen.

Das Geheimnis liegt in den Materialien. Das Rückgrat jeder Schicht besteht aus langen Molekülketten, die periodisch durch dynamische Wasserstoffbrücken verbunden sind, ähnlich denen, die die Doppelhelix von DNA-Strängen zusammenhalten, und die es dem Material ermöglichen, sich wiederholt zu dehnen, ohne zu reißen. Gummi und Latex sind zwei bekannte natürliche Polymere, aber es gibt auch unzählige synthetische Polymere. Der Schlüssel liegt darin, die molekularen Strukturen des Polymers zu entwerfen und die richtige Kombination für jede Schicht zu wählen – die erste Schicht eines Polymers, die zweite Schicht eines anderen und so weiter.

Die Forscher verwendeten PPG (Polypropylenglykol) und PDMS (Polydimethylsiloxan, besser bekannt als Silikon). Beide verfügen über gummiartige elektrische und mechanische Eigenschaften sowie Biokompatibilität und können mit Nano- oder Mikropartikeln gemischt werden, um elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen. Entscheidend ist, dass die ausgewählten Polymere und ihre jeweiligen Verbundstoffe nicht mischbar sind – sie vermischen sich noch nicht miteinander, aufgrund der Wasserstoffbrückenbindung haften sie gut aneinander und bilden ein haltbares, mehrschichtiges Material.

Beide Polymere haben den Vorteil, dass sie bei Erwärmung weich werden und fließen, beim Abkühlen jedoch erstarren. Durch die Erwärmung der synthetischen Haut konnten die Forscher den Heilungsprozess beschleunigen. Bei Raumtemperatur kann die Heilung bis zu einer Woche dauern, aber bei einer Erwärmung auf nur 70 °C (158 °F) erfolgt die Selbstausrichtung und Heilung in etwa 24 Stunden. Die beiden Materialien wurden sorgfältig entwickelt, um über einen geeigneten Temperaturbereich eine ähnliche viskose und elastische Reaktion auf äußere Belastungen zu zeigen.

„Die Haut heilt auch nur langsam. Ich habe mir neulich in den Finger geschnitten und vier oder fünf Tage später heilte es immer noch“, sagt Cooper. „Für uns ist das Wichtigste, dass es ohne unser Zutun oder Bemühen heilt und Funktionen wiederherstellt.“

Mit einem erfolgreichen Prototyp gingen die Forscher dann noch einen Schritt weiter und arbeiteten mit Professor Renee Zhao von der Stanford University zusammen, indem sie magnetische Materialien zu ihren Polymerschichten hinzufügten, wodurch die synthetische Haut nicht nur heilen, sondern sich auch aus einzelnen Teilen selbst zusammensetzen konnte. „In Kombination mit magnetfeldgesteuerter Navigation und Induktionserwärmung“, sagt Zhao, „können wir möglicherweise rekonfigurierbare weiche Roboter bauen, die bei Bedarf ihre Form ändern und ihre Verformung spüren können.“

„Unsere langfristige Vision ist es, Geräte zu schaffen, die sich von extremen Schäden erholen können. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Gerät vor, das sich, wenn es in Stücke gerissen und auseinandergerissen wird, selbstständig wieder aufbauen könnte“, sagt Cooper und zeigt ein kurzes Video mehrerer geschichteter Teile In Wasser getauchte synthetische Haut. Die Teile werden magnetisch zusammengezogen, nähern sich einander an und setzen sich schließlich wieder zusammen. Während sie heilen, kehrt ihre elektrische Leitfähigkeit zurück und eine auf dem Material angebrachte LED leuchtet, um dies zu beweisen.

In ihren nächsten Schritten werden die Forscher daran arbeiten, die Schichten so dünn wie möglich zu machen und Schichten mit unterschiedlichen Funktionen zu schaffen. Der aktuelle Prototyp wurde so konstruiert, dass er Druck erkennt, und es könnten zusätzliche Schichten zur Erkennung von Temperatur- oder Spannungsänderungen eingebaut werden.

Als Zukunftsvision stellt sich das Team möglicherweise Roboter vor, die in Einzelteilen verschluckt werden und sich dann im Körper selbst zusammensetzen könnten, um nicht-invasive medizinische Behandlungen durchzuführen. Weitere Anwendungen umfassen multisensorische, selbstheilende elektronische Häute, die sich formschlüssig an Roboter anpassen und ihnen einen Tastsinn verleihen.

Mehr Informationen: Christopher B. Cooper et al., Autonome Ausrichtung und Heilung in mehrschichtiger weicher Elektronik unter Verwendung nicht mischbarer dynamischer Polymere, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh0619. www.science.org/doi/10.1126/science.adh0619