معرفی هیدروژل هوشمند برای پایش دقیق حرکات بدن
تیم تحقیقاتی دانشگاه شهید بهشتی و خوارزمی با طراحی ساختاری دوگانه پیوندی در هیدروژل نانویی، چالشهای مربوط به دقت سنسورها و عمر مفید آنها را حل کرده و راهکاری پایدار برای تبدیل سیگنالهای حرکتی بدن به دادههای دیجیتال ارائه دادهاند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی با همکاری محققانی از دانشگاه خوارزمی، دانشگاه صنعتی دانمارک و دانشگاه ژنگژو موفق به توسعه نوعی هیدروژل رسانای نانویی شدهاند که میتواند در حسگرهای پوشیدنی، سامانههای پایش سلامت و رابطهای بیسیم انسان ـ ماشین به کار گرفته شود.
این هیدروژل زیستالهامگرفته علاوه بر انعطافپذیری و استحکام مکانیکی بالا، قادر است حرکات بسیار ظریف بدن انسان را با دقت بالا شناسایی کند. پژوهشگران در ساخت این ماده از نانولولههای کربنی چنددیواره عاملدارشده، پلیمرهای طبیعی و ساختارهای دوگانه پیوندی استفاده کردهاند تا ویژگیهایی مانند خودترمیمشوندگی، رسانایی، چسبندگی و دوام بالا را به طور همزمان در یک سامانه فراهم کنند.
جهان به نقطهای رسیده که حتی ژل هم باید هوشمند، رسانا، خودترمیمشونده و قابل چاپ سهبعدی باشد. احتمالاً ژلاتین معمولی این روزها احساس بیارزشی میکند.
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 مسئله باعث شده پژوهشگران در سراسر جهان به دنبال توسعه مواد نرم و هوشمندی باشند که بتوانند حرکات بدن را با دقت بالا تشخیص دهند و در عین حال دوام و راحتی مناسبی داشته باشند.
در همین راستا، 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 شدهاند که میتواند در حسگرهای پوشیدنی و سامانههای بیسیم پایش حرکات بدن مورد استفاده قرار گیرد.
هیدروژلها موادی نرم و آبدوست هستند که مقدار زیادی آب را در ساختار خود نگه میدارند و از نظر بافت، شباهت زیادی به بافتهای طبیعی بدن دارند.
همین ویژگی باعث شده این مواد در سالهای اخیر در حوزه پزشکی، مهندسی بافت، حسگرهای زیستی و الکترونیک انعطافپذیر مورد توجه قرار گیرند. با این حال، بسیاری از هیدروژلهای رایج با مشکلاتی مانند استحکام پایین، رسانایی محدود، دوام کم یا ضعف در ترمیم ساختار مواجه هستند.
پژوهشگران این پروژه تلاش کردهاند با بهرهگیری از فناوری نانو و الهام از ساختارهای طبیعی، این محدودیتها را برطرف کنند. بخش نانویی این پروژه در استفاده از نانولولههای کربنی چنددیواره عاملدارشده با گروه تیول نهفته است.
این نانولولهها که در مقیاس نانومتری ساخته میشوند، رسانایی الکتریکی بالایی دارند و میتوانند شبکهای رسانا و مقاوم درون هیدروژل ایجاد کنند.
در این مطالعه، پژوهشگران از نوعی واکنش شیمیایی موسوم به «کلیک تیول ـ ان» که با تابش فرابنفش فعال میشود، برای ساخت هیدروژل استفاده کردند. آنها در کنار نانولولههای کربنی، از پلیمرهای طبیعی مانند گوارگام اکسیدشده و هیدروکسیاتیل سلولز نیز بهره گرفتند تا ساختار نهایی علاوه بر رسانایی، زیستسازگار و انعطافپذیر باشد.
همچنین پلیدوپامین الهامگرفته از ساختار چسبنده صدفهای دریایی در این سامانه به کار گرفته شد تا خاصیت چسبندگی هیدروژل افزایش یابد. یونهای روی نیز به عنوان عامل ضدمیکروبی به ساختار افزوده شدند تا امکان استفاده ایمنتر در کاربردهای زیستپزشکی فراهم شود.
به گفته پژوهشگران، ساختار نهایی دارای شبکهای دوگانه از پیوندهای شیمیایی و فیزیکی است که همین مسئله نقش مهمی در بهبود خواص مکانیکی و عملکردی ماده ایفا کرده است. این ساختار دوگانه باعث شده هیدروژل علاوه بر انعطافپذیری بالا، مقاومت مکانیکی قابل توجهی نیز داشته باشد.
نتایج آزمایشها نشان داد این هیدروژل استحکامی در حدود ۲۶۱ کیلوپاسکال دارد و پس از تغییر شکل، میتواند حدود ۹۴ درصد از ساختار اولیه خود را بازیابی کند.
همچنین این ماده توانسته عملکرد خودترمیمشوندگی مناسبی از خود نشان دهد؛ ویژگیای که برای تجهیزات پوشیدنی اهمیت بالایی دارد، زیرا این ابزارها به طور مداوم تحت خمشدن، کشش و فشار قرار میگیرند.
یکی از مهمترین ویژگیهای این هیدروژل، حساسیت بالای آن در تشخیص حرکات بدن است. ضریب حساسیت ثبتشده برای این ماده حدود ۱۰٫۹۷ گزارش شده و سامانه توانسته حرکات مختلف بدن، از لرزشهای ظریف گرفته تا خمشدن مفاصل را با دقت بالا شناسایی کند.
پژوهشگران همچنین عملکرد ضدخستگی مناسبی برای این ماده گزارش کردهاند. این هیدروژل توانسته در کرنش ۱۰۰ درصد و طی هزار چرخه عملکرد پایدار خود را حفظ کند. زمان پاسخدهی سریع در حدود ۱۲۰ میلیثانیه نیز از دیگر ویژگیهای مهم این سامانه محسوب میشود؛ موضوعی که برای پایش لحظهای حرکات بدن اهمیت زیادی دارد.
یکی دیگر از مزیتهای مهم این فناوری، امکان تولید آن با هزینه نسبتاً پایین و در دمای اتاق است. به گفته پژوهشگران، فرآیند ساخت این هیدروژل با فناوری چاپ سهبعدی نیز سازگار است و همین موضوع میتواند مسیر تولید انبوه و شخصیسازی تجهیزات پوشیدنی را هموارتر کند.
کاربردهای احتمالی این فناوری بسیار گسترده عنوان شده است. از حسگرهای پوشیدنی برای ورزشکاران و بیماران گرفته تا سامانههای پایش سلامت سالمندان، کنترل حرکات در رابطهای انسان ـ ماشین و حتی توسعه پوست الکترونیکی، همگی میتوانند از چنین موادی بهره ببرند.
پژوهشگران معتقدند ترکیب فناوری نانو با پلیمرهای زیستی و ساختارهای زیستالهامگرفته میتواند نسل تازهای از تجهیزات الکترونیکی نرم و هوشمند را ایجاد کند؛ تجهیزاتی که مرز میان بدن انسان و ابزارهای دیجیتال را کمرنگتر خواهند کرد.
به نقل از نانو ایران، انسانها زمانی فقط ساعت مچی میخواستند. حالا ابزارهایی میسازند که بتوانند کش بیایند، خودشان را ترمیم کنند، سیگنال عصبی را تشخیص دهند و حرکات بدن را بیسیم به رایانه منتقل کنند. آینده ظاهراً تصمیم گرفته شبیه فیلمهای علمیتخیلی شود، فقط با مقالههای پژوهشی بیشتر و کابلهای 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.
