La terapia compressiva è una forma standard di trattamento per i pazienti che soffrono di ulcere venose e altre condizioni in cui le vene faticano a restituire il sangue dagli arti inferiori. calze a compressione e bende, avvolto strettamente intorno all'arto colpito, può aiutare a stimolare il flusso sanguigno. Ma attualmente non esiste un modo chiaro per valutare se una benda applica una pressione ottimale per una data condizione.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato fibre fotoniche sensibili alla pressione che hanno intrecciato in una tipica benda di compressione. Mentre la benda è tesa, le fibre cambiano colore. Utilizzando una cartella colori, un caregiver può allungare una benda finché non corrisponde al colore per una pressione desiderata, prima, dire, avvolgendolo intorno alla gamba di un paziente.

Le fibre fotoniche possono quindi fungere da sensore di pressione continuo:se il loro colore cambia, gli operatori sanitari oi pazienti possono utilizzare la cartella colori per determinare se e in quale misura la benda deve essere allentata o stretta.

"Ottenere la giusta pressione è fondamentale nel trattamento di molte condizioni mediche tra cui ulcere venose, che colpiscono diverse centinaia di migliaia di pazienti negli Stati Uniti ogni anno, "dice Mathias Kolle, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. "Queste fibre possono fornire informazioni sulla pressione esercitata dalla benda. Possiamo progettarle in modo che per una specifica pressione desiderata, le fibre riflettono un colore facilmente distinguibile."

Kolle e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Materiali sanitari avanzati . I coautori del MIT includono il primo autore Joseph Sandt, Marie Moudio, e Cristiano Argenti, insieme a J. Kenji Clark dell'Università di Tokyo, James Hardin del laboratorio di ricerca dell'aeronautica degli Stati Uniti, Matthew Carty della Brigham and Women's Hospital-Harvard Medical School, e Jennifer Lewis dell'Università di Harvard.

Ispirazione naturale

Il colore delle fibre fotoniche non deriva da alcuna pigmentazione intrinseca, ma dalla loro configurazione strutturale accuratamente progettata. Ogni fibra è circa 10 volte il diametro di un capello umano. I ricercatori hanno fabbricato la fibra da strati ultrasottili di materiali in gomma trasparente, che hanno arrotolato per creare una struttura di tipo gelatina. Ogni strato all'interno del rotolo ha uno spessore di poche centinaia di nanometri.

In questa configurazione arrotolata, la luce si riflette su ogni interfaccia tra i singoli strati. Con abbastanza strati di spessore costante, questi riflessi interagiscono per rafforzare alcuni colori nello spettro visibile, per esempio rosso, mentre diminuisce la luminosità di altri colori. Questo fa apparire la fibra di un certo colore, a seconda dello spessore degli strati all'interno della fibra.

"Il colore strutturale è davvero pulito, perché puoi diventare più luminoso, colori più forti che con inchiostri o coloranti semplicemente utilizzando particolari accorgimenti di materiali trasparenti, "Dice Sandt. "Questi colori persistono finché la struttura viene mantenuta".

Il design delle fibre si basa su un fenomeno ottico noto come "interferenza, "in quale luce, riflessa da una pila periodica di sottili, strati trasparenti, può produrre colori vivaci che dipendono dai parametri geometrici della pila e dalla composizione del materiale. L'interferenza ottica è ciò che produce vortici colorati in pozzanghere oleose e bolle di sapone. È anche ciò che dà a pavoni e farfalle il loro splendore, sfumature mutevoli, poiché le loro piume e ali sono costituite da strutture periodiche simili.

"Il mio interesse è sempre stato quello di prendere elementi strutturali interessanti che sono all'origine delle strategie di manipolazione della luce più abbaglianti della natura, provare a ricrearli e ad utilizzarli in applicazioni utili, " dice Kolle.

Un approccio a più livelli

L'approccio del team combina concetti di design ottico noti con materiali morbidi, per creare materiali fotonici dinamici.

Mentre era postdoc ad Harvard nel gruppo della professoressa Joanna Aizenberg, Kolle è stato ispirato dal lavoro di Pete Vukusic, professore di biofotonica presso l'Università di Exeter nel Regno Unito, su Margaritaria nobilis, una pianta tropicale che produce bacche blu estremamente lucenti. La buccia dei frutti è costituita da cellule a struttura periodica cellulosica, attraverso il quale la luce può riflettere per conferire al frutto il suo caratteristico colore blu metallico.

Insieme, Kolle e Vukusic hanno cercato modi per tradurre l'architettura fotonica del frutto in un utile materiale sintetico. In definitiva, hanno modellato fibre multistrato da materiali elastici, e presumeva che lo stiramento delle fibre avrebbe modificato gli spessori dei singoli strati, consentendo loro di sintonizzare il colore delle fibre. I risultati di questi primi sforzi sono stati pubblicati in Materiale avanzato nel 2013.

Quando Kolle si unì alla facoltà del MIT nello stesso anno, lui e il suo gruppo, compreso Sandt, migliorato il design e la fabbricazione della fibra fotonica. Nella loro forma attuale, le fibre sono costituite da strati di gomme trasparenti di uso comune e largamente disponibili, avvolto attorno a nuclei di fibre altamente estensibili. Sandt ha fabbricato ogni strato usando lo spin-coating, una tecnica in cui una gomma, sciolto in soluzione, viene versato su un filatoio. Il materiale in eccesso viene scaraventato via dalla ruota, lasciando un sottile, rivestimento uniforme, il cui spessore può essere determinato dalla velocità della ruota.

Per la produzione di fibre, Sandt ha formato questi due strati sopra un film solubile in acqua su un wafer di silicio. Poi ha immerso il wafer, con tutti e tre gli strati, in acqua per sciogliere lo strato idrosolubile, lasciando galleggiare i due strati gommosi sulla superficie dell'acqua. Finalmente, arrotolò con cura i due strati trasparenti attorno a una fibra di gomma nera, per produrre la fibra fotonica colorata finale.

Pressione riflettente

Il team può regolare lo spessore degli strati delle fibre per produrre qualsiasi regolazione cromatica desiderata, utilizzando approcci di modellazione ottica standard personalizzati per il loro design in fibra.

"Se vuoi che una fibra passi dal giallo al verde, o blu, possiamo dire, 'Questo è il modo in cui dobbiamo disporre la fibra per darci questo tipo di traiettoria [colore], '" dice Kolle. "Questo è potente perché potresti voler avere qualcosa che rifletta il rosso per mostrare una tensione pericolosamente alta, o verde per "ok". Abbiamo questa capacità".

Il team ha fabbricato fibre cangianti con un taglio su misura, variazione di colore dipendente dalla deformazione utilizzando il modello teorico, e poi li ha cuciti lungo la lunghezza di un bendaggio compressivo convenzionale, che hanno precedentemente caratterizzato per determinare la pressione che la benda genera quando viene allungata di una certa quantità.

Il team ha utilizzato la relazione tra l'allungamento della fasciatura e la pressione, e la correlazione tra colore e deformazione delle fibre, per redigere una cartella colori, abbinare il colore di una fibra (prodotto da una certa quantità di stiramento) alla pressione che viene generata dalla benda.

Per testare l'efficacia del bendaggio, Sandt e Moudio hanno arruolato più di una dozzina di studenti volontari, che hanno lavorato in coppia per applicare tre diverse bende compressive alle gambe dell'altro:una semplice benda, una benda filettata con fibre fotoniche, e una fasciatura disponibile in commercio stampata con motivi rettangolari. Questa fasciatura è progettata in modo che quando si applica una pressione ottimale, gli utenti dovrebbero vedere che i rettangoli diventano quadrati.

Globale, la fasciatura tessuta con fibre fotoniche ha fornito il feedback di pressione più chiaro. Gli studenti hanno potuto interpretare il colore delle fibre, e in base alla cartella colori, applicare una pressione ottimale corrispondente in modo più accurato rispetto a una delle altre bende.

I ricercatori sono ora alla ricerca di modi per aumentare il processo di fabbricazione delle fibre. Attualmente, sono in grado di produrre fibre lunghe diversi pollici. Idealmente, vorrebbero produrre metri o addirittura chilometri di tali fibre alla volta.

"Attualmente, le fibre sono costose, soprattutto a causa del lavoro che serve per realizzarli, " dice Kolle. "I materiali in sé non valgono molto. Se potessimo srotolare chilometri di queste fibre con relativamente poco lavoro, allora sarebbero a buon mercato."

Quindi, tali fibre potrebbero essere infilate in bende, insieme a tessuti come abbigliamento sportivo e scarpe come indicatori di colore per, dire, affaticamento muscolare durante gli allenamenti. Kolle prevede che possano essere utilizzati anche come estensimetri leggibili a distanza per infrastrutture e macchinari.

"Certo, potrebbero anche essere uno strumento scientifico che potrebbe essere utilizzato in un contesto più ampio, che vogliamo esplorare, " dice Kolle.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.