پلیمر الکترو مغناطیسی در زیست پزشکی

استفاده از پلیمرهای الکترو/مغناطیسی پاسخگو در تولید، تعیین خواص و کاربردهای زیست پزشکی و رباتیک نرم

پلیمرهای الکترومغناطیسی پاسخگو (MERP) دسته ای از مواد پاسخگو به محرک هستند که با تحریک میدان های مغناطیسی/الکتریکی خارجی فعال می شوند. MERP ها از خواص چند منظوره، دینامیک، برگشت پذیر و ایمن (یعنی تغییر با زمان) برخوردار هستند که می توان آنها را در مقیاس های طولی مختلف تغییر داد. این خواص زمینه استفاده از آنها در مهندسی زیست پزشکی (به عنوان مثال، سیستم های دارورسانی و مهندسی بافت)، مهندسی مواد نرم (به عنوان مثال، رباتیک نرم)، و طراحی ساختاری مواد هوشمند با خواص بی سابقه (به عنوان مثال، مورفینگ شکل پیچیده) را فراهم می کند. در اینجا با توجه به پیشرفت اخیر در طراحی و توسعه MERP ها، پیشرفت های فعلی در ساخت MERP را با استفاده از روش های مختلف تولید من جمله چاپ 3 و 4 بعدی و تکنیک های متداول بیان می کنیم. ما همچنین روش های مورد استفاده برای توصیف MERP ها و رابطه مهم ساختاری-خواص آنها را نیز مورد بحث قرار می دهیم. همچنین کاربردهای بالقوه آنها در مهندسی پزشکی، رباتیک نرم و طراحی مواد و سیستم های هوشمند را نیز بیان می کنیم. MERP ها پتانسیل زیادی برای تولید مواد هوشمند با خواص دینامیکی قابل پیش بینی دارند. مطالعات بسیاری به بررسی پاسخ های بیولوژیکی MERP هم در داخل بدن و هم در شرایط آزمایشگاهی پرداخته اند که فاکتور مهمی در حوزه مهندسی زیست پزشکی محسوب می شود.

دو دهه گذشته شاهد توجه روزافزون به استفاده از پلیمرهای محرک پاسخگو در صنایع های تک و فناوری علوم مواد بوده ایم. از بین پلیمرهای مختلف پاسخگو به محرک، پلیمرهای مغناطیسی و یا پلیمرهای الکتریکی پاسخگو (که در اینجا MERP نام دارند) یکی از پرکاربردترین پلیمرها در دستیابی به خواص چند عملکردی خاص هستند. از این خواص چند منظوره می توان به خواص مکانیکی قابل تنظیم، قابلیت‌ فورمینگ شکل پیچیده (SM) (قابل برنامه ریزی مجدد) در مقیاس‌ های طولی مختلف اشاره کرد. یکی از مزایای قابل توجه MERP ها فعال سازی ریموت آنها توسط میدان های مغناطیسی و الکتریکی خارجی است. این ویژگی به دلیل سهولت استفاده از آنها، زمان پاسخگویی فعال سازی سریع و زیست سازگاری نسبت به دیگر محرک ها مانند حرارت مستقیم، روشی کارآمد برای فعال سازی اجسام به ویژه در مقیاس کوچک است. این خواص منحصر به فرد آنها را به یک گزینه مهم در مهندسی زیست پزشکی (مانند مهندسی بافت (TE)، سیستم های دارورسانی (DDS))، مهندسی مواد نرم (مانند رباتیک نرم)، طراحی سازه ها و سیستم های هوشمند با خواص دینامیک تبدیل می کند. علاوه براین، در دهه گذشته استفاده از موتیف های مختلف مانند پلیمرهای پاسخگو به محرک و پلیمرهای حافظه دار (SMP) به عنوان ماتریس، استفاده از تکنیک های ساخت افزایشی (AM) و محرک های متعدد طیف گسترده ای از کاربردهای MERP پیشرفته با قابلیت ذخیره/بازیابی موقت/شکل (های) دائمی ناشی از اثرات حافظه آنها (SME) را بیان می کند. MERP ها به طور کلی از دو جزء ذرات الکترو مغناطیسی پاسخگو (ذرات فعال سازی) و ماتریس پلیمری غیر مغناطیسی/الکتریکی تشکیل شده اند. با این حال، در برخی موارد، ماتریس پلیمری خود دارای خواص مغناطیسی/الکتریکی است و نیاز به افزودن ذرات فعال سازی ضرورت ندارد. پلیمرهای الاستومری (مانند سیلیکون ها، پلیمرهای آکریلات و پلی یورتان ها)، SMP ها (مانند پلی لاکتیک اسید (PLA)) و هیدروژل ها حاوی پلیمر بیشتری به عنوان ماتریس در MERP هستند. به ویژه، اگر به تغییر شکل های بزرگی نیاز باشد، پلیمرهای الاستومری نرم مانند Ecoflexᵀᴹ، SYLGARDᵀᴹ و پلی دی متیل سیلوکزان (PDMS) به دلیل زیست سازگاری، پایداری مکانیکی/حرارتی و توانایی بالای تغییر شکل کاربرد زیادی دارند.

ذرات معمولی مورد استفاده در ساخت MERP ها از جنس فلز (مانند کبالت، آهن و نیکل (Ni))، اکسیدهای آهن (IO)، نئودیمیم-آهن-بور (NdFeB)، گرافن، کربن سیاه، نانوالیاف کربنی (CNF)، نانولوله های کربنی (CNT) و نانولوله های کربن چند جداره هستند. چنین ذرات الکترو/مغناطیسی پاسخگو علت اصلی رفتار دینامیکی MERP ها هستند؛ مگر اینکه از یک پلیمر همراه با SME به عنوان ماتریس استفاده شود. MERP ها با توجه به نوع تحریک به پلیمرهای مغناطیسی پاسخگو (MRP) و الکتروپاسخگو (ERP) طبقه بندی می شوند. چون که MRP ها از ذرات مغناطیسی تشکیل شده اند، با اعمال میدان مغناطیسی فعال می شود. در تهیه MRP، ذرات فرومغناطیسی قبل از فرآیند انجماد به طور همگن (یا گاهی اوقات غیر همگن) در داخل یک ماده پلیمری فعال غیر مغناطیسی پراکنده می شوند. علاوه براین، MRP ها با ذرات در جهت دلخواه زمانی تولید می شوند که میدان مغناطیسی در طول فرآیند پخت (یا انجماد) اعمال شود. با توجه به حلقه هیسترزیس از ذرات مغناطیسی و نیروی اجباری آنها، ذرات فرومغناطیسی به دو دسته ذرات مغناطیسی نرم و سخت تقسیم می شوند. ذرات مغناطیسی نرم مانند IO ها نیروی اجباری کمتری نسبت به ذرات مغناطیسی سخت دارند. در MRP های نرم، ذرات مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی به دلیل برهمکنش های دوقطبی-دوقطبی بین ذرات هدایت شده توسط مغناطیس حرکت می کنند. چنین حرکت و بازآرایی ذرات باعث القای تنش/اصطکاک داخلی با ماتریس می شود که گرمای داخلی و در نتیجه، به تغییر شکل ها و تغییرات خواص ختم می شود. با این حال، در MRP های سخت، یک برهمکنش داخلی بین ذرات حتی در غیاب میدان مغناطیسی وجود دارد که قادر به تغییر شکل در میدان مغناطیسی یکنواخت هستند (برخلاف MRP های نرم که در میدان های مغناطیسی مختلف قادر به تغییر شکل هستند). به همین دلیل است که MRP های نرم مانند الاستومرهای مغناطیس رئولوژیکی (MRE) عمدتاً به دلیل دارا بودن پتانسیل بالای تغییر شکل و تغییر خواص مکانیکی در سیستم‌ های دینامیکی استفاده می‌شوند و از طرفی، MRP های سخت در مورفینگ شکل کاربرد دارند.

ERP ها یک کلاس از مواد نرم چند منظوره با خواص الکترومکانیکی عالی هستند که مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته اند. با توجه به مکانیسم های انتقال آنها معمولاً به دو دسته اصلی الکتریکی و یونی تقسیم می شوند. ERP ها می توانند به عنوان محرک در میدان الکتریکی برای خروجی های مکانیکی، یا به عنوان حسگر از طریق تغییرات خازن، یا به عنوان جمع کننده انرژی برای ایجاد حرکات مکانیکی در خروجی الکتریکی استفاده شوند. یکی از مهم ترین خواص بارز ERP ها این است که می توانند به عنوان محرک تا حد زیادی تحت محرک های الکتریکی تغییر شکل دهند. در این بررسی، ابتدا به پیشرفت‌ روش های ساخت MERP همچون چاپ 3 و 4 بعدی، و فناوری های رایج اشاره می کنیم. در مرحله بعد، مشخصات آزمایشی MRP ها و همچنین پاسخ الکترومکانیکی ERP ها مورد بررسی قرار خواهند گرفت. پس از آن، بحث به کاربردهای گسترده MERP ها در مهندسی زیست پزشکی من جمله TE، DDS، مواد نرم (مانند رباتیک نرم)، ساختار SM و سیستم های دینامیکی معطوف خواهد شد. در نهایت، چشم انداز جهت ها و فرصت های تحقیقاتی در آینده را ارائه خواهیم کرد.

چشم انداز

در این مقاله مروری ما بر روی پیشرفته ترین MERP ها و قابلیت های چند منظوره و دینامیک آنها در ایجاد مواد (زیستی) هوشمند فعال متمرکز هستیم. همچنین تکنیک‌ های مختلف تولید و مشخصه سازی به کار رفته در توسعه MERP ها را بیان می کنیم. پیشرفت های اخیر و کاربردهای MERP ها در مهندسی زیست پزشکی (مانند DDS، تشخیص/تصویربرداری و TE)، مهندسی مواد نرم، ساختار SM و سیستم های دینامیکی نیز مورد بحث قرار گرفتند. اگرچه MERP ها از خواص منحصر به فرد مانند پاسخگویی سریع، ایمنی در عملیات، انعطاف پذیری در قابلیت برنامه ریزی و قابلیت کنترل ریموت برخوردار هستند اما هنوز محدودیت های متعددی در توسعه یا استفاده از آنها وجود دارد.