La terapia de compresión es una forma estándar de tratamiento para pacientes que padecen úlceras venosas y otras afecciones en las que las venas luchan para devolver la sangre de las extremidades inferiores. Las medias y vendas de compresión, envueltas firmemente alrededor de la extremidad afectada, pueden ayudar a estimular el flujo sanguíneoPero actualmente no existe una forma clara de medir si un vendaje está aplicando una presión óptima para una afección dada.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado fibras fotónicas sensibles a la presión que han tejido en un vendaje de compresión típico. A medida que el vendaje se estira, las fibras cambian de color. Usando una tabla de colores, un médico puede estirar un vendaje hasta que coincida con el colorpara una presión deseada, antes, por ejemplo, envolviéndola alrededor de la pierna de un paciente.
Las fibras fotónicas pueden servir como un sensor de presión continuo; si su color cambia, los cuidadores o los pacientes pueden usar la tabla de colores para determinar si el vendaje necesita aflojarse o ajustarse y en qué medida.
"Obtener la presión correcta es fundamental para tratar muchas afecciones médicas, incluidas las úlceras venosas, que afectan a varios cientos de miles de pacientes en los Estados Unidos cada año", dice Mathias Kolle, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Estas fibras pueden proporcionar información sobrela presión que ejerce el vendaje. Podemos diseñarlos para que para una presión específica deseada, las fibras reflejen un color fácilmente distinguible ".
Kolle y sus colegas han publicado sus resultados en la revista Materiales avanzados de atención médica . Los coautores del MIT incluyen al primer autor Joseph Sandt, Marie Moudio y Christian Argenti, junto con J. Kenji Clark de la Universidad de Tokio, James Hardin del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, Matthew Carty de Brigham y Women'sHospital-Harvard Medical School, y Jennifer Lewis de la Universidad de Harvard.
inspiración natural
El color de las fibras fotónicas no surge de ninguna pigmentación intrínseca, sino de su configuración estructural cuidadosamente diseñada. Cada fibra tiene aproximadamente 10 veces el diámetro de un cabello humano. Los investigadores fabricaron la fibra a partir de capas ultrafinas de materiales de caucho transparente, quese enrollaron para crear una estructura tipo rollo de gelatina. Cada capa dentro del rollo tiene solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor.
En esta configuración enrollada, la luz se refleja en cada interfaz entre capas individuales. Con suficientes capas de grosor constante, estas reflexiones interactúan para fortalecer algunos colores en el espectro visible, por ejemplo rojo, mientras disminuyen el brillo de otros colores.hace que la fibra tenga un color determinado, dependiendo del grosor de las capas dentro de la fibra.
"El color estructural es realmente nítido, porque puedes obtener colores más brillantes y fuertes que con tintas o tintes simplemente usando arreglos particulares de materiales transparentes", dice Sandt. "Estos colores persisten mientras se mantenga la estructura".
El diseño de las fibras se basa en un fenómeno óptico conocido como "interferencia", en el que la luz, reflejada por una pila periódica de capas delgadas y transparentes, puede producir colores vibrantes que dependen de los parámetros geométricos de la pila y la composición del material. La interferencia óptica eslo que produce remolinos coloridos en charcos aceitosos y pompas de jabón. También es lo que les da a los pavos reales y mariposas sus sombras deslumbrantes y cambiantes, ya que sus plumas y alas están hechas de estructuras periódicas similares.
"Mi interés siempre ha sido tomar elementos estructurales interesantes que se encuentran en el origen de las estrategias de manipulación de luz más deslumbrantes de la naturaleza, para intentar recrearlas y emplearlas en aplicaciones útiles", dice Kolle.
Un enfoque multicapa
El enfoque del equipo combina conceptos de diseño óptico conocidos con materiales blandos para crear materiales fotónicos dinámicos.
Mientras era un postdoctorado en Harvard en el grupo de la profesora Joanna Aizenberg, Kolle se inspiró en el trabajo de Pete Vukusic, profesor de biofotónica de la Universidad de Exeter en el Reino Unido, en Margaritaria nobilis, una planta tropical que produce bayas azules extremadamente brillantesLa piel de la fruta está compuesta de células con una estructura de celulosa periódica, a través de la cual la luz puede reflejarse para darle a la fruta su característico color azul metálico.
Juntos, Kolle y Vukusic buscaron formas de traducir la arquitectura fotónica de la fruta en un material sintético útil. Finalmente, formaron fibras multicapa a partir de materiales estirables, y asumieron que estirar las fibras cambiaría el grosor de las capas individuales, lo que les permitiría ajustar elcolor de las fibras. Los resultados de estos primeros esfuerzos se publicaron en Advanced Materials en 2013.
Cuando Kolle se unió a la facultad del MIT en el mismo año, él y su grupo, incluido Sandt, mejoraron el diseño y la fabricación de la fibra fotónica. En su forma actual, las fibras están hechas de capas de cauchos transparentes comúnmente utilizados y ampliamente disponibles,envuelto alrededor de núcleos de fibra altamente estirables. Sandt fabricó cada capa usando revestimiento giratorio, una técnica en la cual se vierte una goma, disuelta en una solución, sobre una rueda giratoria. El material sobrante es arrojado fuera de la rueda, dejando un recubrimiento delgado y uniforme.cuyo espesor puede determinarse por la velocidad de la rueda.
Para la fabricación de fibra, Sandt formó estas dos capas sobre una película soluble en agua sobre una oblea de silicio. Luego sumergió la oblea, con las tres capas, en agua para disolver la capa soluble en agua, dejando las dos capas de gomaflotando en la superficie del agua. Finalmente, rodó cuidadosamente las dos capas transparentes alrededor de una fibra de caucho negro, para producir la fibra fotónica final de colores.
presión reflectora
El equipo puede ajustar el grosor de las capas de las fibras para producir cualquier ajuste de color deseado, utilizando enfoques de modelado óptico estándar personalizados para su diseño de fibra.
"Si desea que una fibra pase de amarillo a verde o azul, podemos decir: 'Así es como debemos diseñar la fibra para darnos este tipo de trayectoria [de color]'", dice Kolle ".Esto es poderoso porque es posible que desee tener algo que refleje rojo para mostrar una tensión peligrosamente alta, o verde para 'ok'. Tenemos esa capacidad ".
El equipo fabricó fibras que cambian de color con una variación de color adaptada y dependiente de la tensión usando el modelo teórico, y luego las cosió a lo largo de un vendaje de compresión convencional, que caracterizaron previamente para determinar la presión que genera el vendaje cuandoestirado por una cierta cantidad.
El equipo utilizó la relación entre el estiramiento y la presión del vendaje, y la correlación entre el color y la tensión de la fibra, para elaborar una tabla de colores, haciendo coincidir el color de una fibra producido por una cierta cantidad de estiramiento con la presión que genera elvendaje.
Para probar la efectividad del vendaje, Sandt y Moudio alistaron a más de una docena de estudiantes voluntarios, que trabajaron en pares para aplicar tres vendajes de compresión diferentes a las piernas del otro: un vendaje liso, un vendaje roscado con fibras fotónicas y un vendaje disponible comercialmente.impreso con patrones rectangulares. Este vendaje está diseñado para que cuando aplique una presión óptima, los usuarios deben ver que los rectángulos se convierten en cuadrados.
En general, el vendaje tejido con fibras fotónicas proporcionó la retroalimentación de presión más clara. Los estudiantes pudieron interpretar el color de las fibras y, según la tabla de colores, aplicar una presión óptima correspondiente con mayor precisión que cualquiera de los otros vendajes.
Los investigadores ahora están buscando formas de ampliar el proceso de fabricación de fibras. Actualmente, pueden fabricar fibras de varias pulgadas de largo. Idealmente, les gustaría producir metros o incluso kilómetros de tales fibras a la vez.
"Actualmente, las fibras son costosas, principalmente debido al trabajo que lleva hacerlas", dice Kolle. "Los materiales en sí mismos no valen mucho. Si pudiéramos extraer kilómetros de estas fibras con relativamente poco trabajo, entoncessería muy barato "
Entonces, dichas fibras podrían enhebrarse en vendajes, junto con textiles como ropa deportiva y zapatos como indicadores de color para, por ejemplo, la tensión muscular durante los entrenamientos. Kolle imagina que también pueden usarse como medidores de tensión remotamente legibles para infraestructura y maquinaria.
"Por supuesto, también podrían ser una herramienta científica que podría usarse en un contexto más amplio, que queremos explorar", dice Kolle.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation y por el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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