Форма с поведением: в РФ создали материал для биодатчиков и электронной кожи

Специалисты МГТУ имени Баумана создали самовосстанавливающийся полиуретан для биоэлектронных устройств. В первую очередь он будет использоваться в гибких датчиках мониторинга здоровья, которые генерируют электрические сигналы в ответ на внешнее воздействие — в технологии, которую зачастую называют электронной кожей. Также его можно применять для создания вживляемых в организм каркасов для костной ткани и искусственных мышц. Эксперты отмечают, что уже сейчас прототип гидрогеля превосходит аналог из Китая по ключевым характеристикам.

Для чего нужен гидрогель

Ученые в Центре НТИ «Цифровое материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана создали новый гидрогель для биосенсоров. Это устройства, используемые для определения биофизических свойств любой системы и передачи о них информации. Простейшим примером такой системы выступают гибкие датчики мониторинга здоровья. Они генерируют электрические сигналы в ответ на внешнее воздействие. В таких системах чувствительными элементами выступают проводящие полимерные гидрогели. Однако их относительно низкая механическая прочность, приводящая к быстрому изнашиванию, и ухудшение характеристик из-за набухания создают проблемы при практическом применении.

— Для решения этой задачи нами был создан сверхпрочный проводящий самовосстанавливающийся полиуретановый физический гидрогель с повышенной устойчивостью к набуханию на основе сочетания «гибкого» блока, придающего прекрасную гидрофобность и гибкость, «жесткого» блока, обеспечивающего превосходные механические свойства благодаря наличию большого количества обратимых межмолекулярных водородных связей, и «проводящего» блока, обеспечивающего электропроводящие свойства, — отметила научный сотрудник Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Залина Локьяева.

Полиуретаны с эффектом памяти формы на биологической основе потенциально применимы в инженерии костной ткани в качестве инъекционных трансплантатов или имплантируемых каркасов, а также в создании искусственных мышц, рассказали разработчики.

— Полиимиды (полимеры) могут использоваться для создания искусственных тазобедренных суставов и биосенсоров, микроэлектродных матриц для стимуляции нервов, искусственных сосудов, средств транспортировки и высвобождения лекарственных средств. Предполагается, что самовосстанавливающиеся гидрогели также найдут широкое применение в качестве повязок для ран, датчиков деформации, носителей клеток, лекарств, белков и биоэлектронных устройств, — резюмировала Залина Локьяева.

Каким отраслям поможет эта технология

Разработка самовосстанавливающегося гидрогеля с памятью формы открывает новые перспективы не только в мониторинге здоровья, но и в сенситивных технологиях. Этот гидрогель сможет значительно улучшить взаимодействие между имплантами и человеческим телом, позволяя создавать более эффективные и комфортные устройства. В спортивной индустрии такие инновации могут привести к созданию высокоточных датчиков, которые помогут спортсменам лучше отслеживать свои показатели и адаптировать тренировки. Применение гидрогеля в спортивных устройствах откроет новые возможности для повышения производительности и предотвращения травм спортсменов, рассказал IT-эксперт и старший преподаватель университета «Синергия» Даниил Аржаков.

Но чтобы материал можно было использовать для вживления в человеческий организм, необходимо провести испытания и доказать его безопасность, считает эксперт.

— Эта разработка имеет стратегическое значение для технологического прогресса в биоэлектронике, особенно в свете увеличивающегося спроса на персонализированные и долговечные устройства. Если продукт будет выведен на рынок в 2027 году, это позволит России укрепить позиции на мировом рынке инновационных материалов и медицинских технологий, предлагая конкурентоспособное решение с улучшенными, — сказал заместитель директора Центра компетенций НТИ «Технологии доверенного взаимодействия» на базе ТУСУР Руслан Пермяков.

Cамовосстанавливающиеся материалы открывают новые возможности для создания устройств, которые автоматически восстанавливают свои свойства при повреждениях, что существенно уменьшает эксплуатационные затраты и повышает надежность, резюмировал он.

Эксперт увидел следующие сценарии применения нового материала: в медицине и здравоохранении новый гидрогель может использоваться в системах дистанционной диагностики, в носимых устройствах для непрерывного мониторинга состояния пациента, а также для создания «умных» пластырей для контроля заживления ран и оценки состояния кожи. В робототехнике и протезировании он пригодится для роботов, предназначенных для взаимодействия с людьми, где требуется высокая гибкость и чувствительность, а также в протезах, имитирующих человеческую кожу, с возможностью тактильной чувствительности.

— Есть и другие сферы для самовосстанавливающегося полиуретана: в спортивном оборудовании или одежде с функциями мониторинга физической активности. Кроме того, в высокочувствительных интерфейсах для управления компьютерами или виртуальной реальностью через прикосновения, а также в создании интеллектуальных покрытий или датчиков, работающих в экстремальных условиях, включая космос, — добавил Руслан Пермяков.

На данном этапе прототип имеет третий уровень готовности (TRL3), то есть изготовлен макетный образец и продемонстрированы его ключевые характеристики. Залина Локьяева ожидает, что полноценный выход на рынок в качестве готового продукта состоится в 2027 году.