En la búsqueda de crear una piel inteligente que imite las capacidades de detección de la piel natural, las pieles iónicas han mostrado ventajas significativas. Están hechos de hidrogeles flexibles y biocompatibles que utilizan iones para transportar una carga eléctrica. A diferencia de las pieles inteligentes hechas de plásticos y metales, los hidrogeles tienen la suavidad de la piel natural. Esto ofrece una sensación más natural al brazo protésico o mano robótica en la que están montados y los hace cómodos de usar.
Estos hidrogeles pueden generar voltajes cuando se tocan, pero los científicos no entendían claramente cómo, hasta que un equipo de investigadores de la UBC ideó un experimento único, publicado hoy en Ciencia.
«La forma en que funcionan los sensores de hidrogel es que producen voltajes y corrientes en reacción a los estímulos, como la presión o el tacto, lo que llamamos un efecto piezoiónico. Pero no sabíamos exactamente cómo se producen estos voltajes», dijo el autor principal del estudio, Yuta Dobashi, quien comenzó el trabajo como parte de su maestría en ingeniería biomédica en la UBC.
Trabajando bajo la supervisión del investigador de la UBC, el Dr. John Madden, Dobashi ideó sensores de hidrogel que contenían sales con iones positivos y negativos de diferentes tamaños. Él y sus colaboradores en los departamentos de física y química de la UBC aplicaron campos magnéticos para rastrear con precisión cómo se movían los iones cuando se aplicaba presión al sensor.
«Cuando se aplica presión al gel, esa presión dispersa los iones en el líquido a diferentes velocidades, creando una señal eléctrica. Los iones positivos, que tienden a ser más pequeños, se mueven más rápido que los iones negativos más grandes. Esto da como resultado un ion desigual distribución que crea un campo eléctrico, que es lo que hace que un sensor piezoiónico funcione».
Los investigadores dicen que este nuevo conocimiento confirma que los hidrogeles funcionan de manera similar a cómo los humanos detectan la presión, que también es a través de iones en movimiento en respuesta a la presión, lo que inspira nuevas aplicaciones potenciales para las pieles iónicas.
«La aplicación obvia es crear sensores que interactúen directamente con las células y el sistema nervioso, ya que los voltajes, las corrientes y los tiempos de respuesta son similares a los de las membranas celulares», dice el Dr. Madden, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la facultad de ciencias aplicadas de la UBC. . «Cuando conectamos nuestro sensor a un nervio, produce una señal en el nervio. El nervio, a su vez, activa la contracción muscular».
«Puedes imaginar una prótesis de brazo cubierta con una piel iónica. La piel detecta un objeto a través del tacto o la presión, transmite esa información a través de los nervios al cerebro, y el cerebro luego activa los motores necesarios para levantar o sostener el objeto. Con más desarrollo de la piel del sensor y las interfaces con los nervios, esta interfaz biónica es concebible».
Otra aplicación es un sensor de hidrogel suave que se usa en la piel y que puede monitorear los signos vitales de un paciente mientras es totalmente discreto y genera su propia energía.
Dobashi, que actualmente está completando su trabajo de doctorado en la Universidad de Toronto, desea continuar trabajando en tecnologías iónicas después de graduarse.
«Podemos imaginar un futuro en el que se utilicen ‘iontrónicos’ gelatinosos para implantes corporales. Se pueden implantar articulaciones artificiales, sin miedo al rechazo dentro del cuerpo humano. Los dispositivos iónicos se pueden utilizar como parte del cartílago de rodilla artificial, agregando una detección inteligente elemento. Un implante de gel piezoiónico podría liberar medicamentos en función de la cantidad de presión que detecta, por ejemplo».
El Dr. Madden agregó que el mercado de pieles inteligentes se estima en $ 4.5 mil millones en 2019 y continúa creciendo. «Las pieles inteligentes pueden integrarse en la ropa o colocarse directamente sobre la piel, y las pieles iónicas son una de las tecnologías que pueden impulsar ese crecimiento».
La investigación incluye contribuciones del graduado de doctorado en química de la UBC, Yael Petel, y Carl Michal, profesor de física de la UBC, quienes utilizaron la interacción entre campos magnéticos fuertes y los espines nucleares de los iones para rastrear los movimientos de iones dentro de los hidrogeles. Cédric Plesse, Giao Nguyen y Frédéric Vidal de la Universidad CY Cergy de París en Francia ayudaron a desarrollar una nueva teoría sobre cómo se generan la carga y el voltaje en los hidrogeles.
