Inovație în medicină: un nou metamaterial ar putea schimba complet dispozitivele implantabile și ingerabile

Controlul wireless al materialelor moi reprezintă o frontieră esențială în domeniul roboticii soft și al dispozitivelor biomedicale. Un nou studiu demonstrează dezvoltarea unei arhitecturi complet moi, multistabile și programabile magnetic, capabilă să răspundă rapid și reversibil la câmpuri magnetice externe și să mențină configurații stabile chiar și în medii dinamice sau stresante.

Context și limitările arhitecturilor existente

Majoritatea materialelor moi cu răspuns magnetic dezvoltate anterior necesitau un câmp magnetic permanent sau modificări externe de temperatură/lumină pentru a menține o formă stabilă. În context biomedical, aceste cerințe sunt limitative, întrucât dispozitivele implantabile sau ingerabile trebuie să reziste la stresuri mecanice, termice și chimice fără a provoca leziuni tisulare sau reacții inflamatorii. Arhitecturile multistabile complet moi nu au fost anterior demonstrate eficient pentru aplicații clinice.

Inovația: metamaterial moale, multistabil, cu acționare magnetică

Noul design utilizează o geometrie bistabilă realizată exclusiv din silicon moale și particule magnetice NdFeB. Structura este programată să se transforme între două stări stabile („[0]” și „[1]”) sub influența unui câmp magnetic neuniform, fără a necesita energie suplimentară pentru a menține forma după transformare.

Caracteristici tehnice cheie:

• Material complet moale (E ≈ 800 kPa), fără plăci rigide sau margini ascuțite.
• Comportament multistabil obținut prin segmente trapezoidale de susținere și grinzi întărite.
• Programare magnetică direcțională pentru transformări rapide și reversibile între stări stabile.
• Baraje energetice personalizabile prin modificarea geometriei celulei unitare (grosime, unghi, întărire).

Rezultate experimentale și simulări

Simulările elementelor finite au arătat că ajustarea grosimii grinzilor, a unghiului și a proporției secțiunii întărite permite controlul precis al stabilității și al pragului de energie necesar pentru transformare. Aceste rezultate au fost confirmate experimental, inclusiv cu transformări selective pe rânduri programate într-o matrice 2×8 sau 4×8.

Aplicații demonstrative și performanță

Aplicații demonstrative:

• Actuatori reconfigurabili în spații restrânse, inclusiv integrare cu LED-uri pentru aplicații vizibile.
• Sisteme peristaltice de pompă wireless, capabile să reziste presiunilor până la 18,5 kPa.
• Structuri pliabile 3D, inclusiv aranjamente octaedrice pentru transformări spațiale complexe.

Performanță în condiții extreme:

• Funcționare între −20°C și 100°C.
• Rezistență la impact de 87 kN fără pierderea funcției.
• Menținerea funcționalității după 7 zile în lichid gastric și expunere la flacără timp de 15 secunde.

Scalabilitate și robustețe

Metamaterialul poate fi scalat în funcție de aplicație, cu baraje energetice care cresc cu cubul dimensiunii geometrice. Această caracteristică îl face potrivit atât pentru dispozitive microscopice ingerabile, cât și pentru aplicații macroscopice industriale.

Implicarea în aplicații biomedicale

Metamaterialul este potrivit pentru dispozitive implantabile sau ingerabile datorită:

• Compatibilității cu țesutul moale.
• Capacității de a menține forme stabile fără alimentare continuă.
• Rezistenței la medii chimice precum sucul gastric.

Posibile aplicații includ stenturi transpilorice pentru gastropareză sau dispozitive de distensie gastrică pentru inducerea sațietății în tratamentul obezității.

Concluzie

Studiul publicat în Science Advances marchează un pas important în dezvoltarea de metamateriale moi, multistabile și controlabile magnetic, cu aplicații potențiale în robotica soft, dispozitive biomedicale ingerabile și sisteme reconfigurabile. Capacitatea de a transforma și menține configurații stabile în medii dinamice fără surse externe continue de energie oferă o platformă robustă și scalabilă pentru viitorul ingineriei biomedicale și al microroboticii.