p A terapia de compressão é uma forma padrão de tratamento para pacientes que sofrem de úlceras venosas e outras condições nas quais as veias lutam para retornar o sangue das extremidades inferiores. Meias de compressão e bandagens, enrolado firmemente em torno do membro afetado, pode ajudar a estimular o fluxo sanguíneo. Mas atualmente não há uma maneira clara de avaliar se uma bandagem está aplicando uma pressão ideal para uma determinada condição. p Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram fibras fotônicas com detecção de pressão que eles entrelaçaram em uma bandagem de compressão típica. À medida que a bandagem é esticada, as fibras mudam de cor. Usando uma cartela de cores, um cuidador pode esticar uma bandagem até que corresponda à cor para a pressão desejada, antes, dizer, enrolando-o na perna do paciente.

p As fibras fotônicas podem, então, servir como um sensor de pressão contínua - se sua cor mudar, Os cuidadores ou pacientes podem usar a tabela de cores para determinar se e em que grau a bandagem precisa ser afrouxada ou apertada.

p "Conseguir a pressão certa é fundamental no tratamento de muitas condições médicas, incluindo úlceras venosas, que afetam várias centenas de milhares de pacientes nos EUA a cada ano, "diz Mathias Kolle, professor assistente de engenharia mecânica no MIT. “Essas fibras podem fornecer informações sobre a pressão que a bandagem exerce. Podemos projetá-las de forma que, para uma pressão desejada específica, as fibras refletem uma cor facilmente distinguível. "

p Kolle e seus colegas publicaram seus resultados na revista Materiais Avançados de Saúde . Os co-autores do MIT incluem o primeiro autor Joseph Sandt, Marie Moudio, e Christian Argenti, junto com J. Kenji Clark da Universidade de Tóquio, James Hardin, do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos, Matthew Carty, de Brigham and Women's Hospital-Harvard Medical School, e Jennifer Lewis da Universidade de Harvard.

p Inspiração natural

p A cor das fibras fotônicas não surge de nenhuma pigmentação intrínseca, mas de sua configuração estrutural cuidadosamente projetada. Cada fibra tem cerca de 10 vezes o diâmetro de um fio de cabelo humano. Os pesquisadores fabricaram a fibra a partir de camadas ultrafinas de materiais transparentes de borracha, que eles enrolaram para criar uma estrutura do tipo rolo de gelatina. Cada camada dentro do rolo tem apenas algumas centenas de nanômetros de espessura.

p Nesta configuração acumulada, a luz reflete em cada interface entre as camadas individuais. Com camadas suficientes de espessura consistente, esses reflexos interagem para fortalecer algumas cores no espectro visível, por exemplo vermelho, enquanto diminui o brilho de outras cores. Isso faz com que a fibra tenha uma determinada cor, dependendo da espessura das camadas dentro da fibra.

p "A cor estrutural é realmente legal, porque você pode ficar mais brilhante, cores mais fortes do que com tintas ou corantes apenas usando arranjos particulares de materiais transparentes, "Sandt diz." Essas cores persistem enquanto a estrutura é mantida. "

p O design das fibras depende de um fenômeno óptico conhecido como "interferência, "em cuja luz, refletido de uma pilha periódica de finas, camadas transparentes, pode produzir cores vibrantes que dependem dos parâmetros geométricos da pilha e da composição do material. A interferência óptica é o que produz redemoinhos coloridos em poças oleosas e bolhas de sabão. É também o que dá aos pavões e borboletas seu deslumbramento, mudança de tons, já que suas penas e asas são feitas de estruturas periódicas semelhantes.

p "Meu interesse sempre foi pegar elementos estruturais interessantes que estão na origem das estratégias de manipulação de luz mais deslumbrantes da natureza, para tentar recriá-los e empregá-los em aplicativos úteis, "Kolle diz.

p Uma abordagem em várias camadas

p A abordagem da equipe combina conceitos de design óptico conhecidos com materiais macios, para criar materiais fotônicos dinâmicos.

p Enquanto fazia pós-doutorado em Harvard no grupo da Professora Joanna Aizenberg, Kolle foi inspirado no trabalho de Pete Vukusic, professor de biofotônica da Universidade de Exeter no Reino Unido, em Margaritaria nobilis, uma planta tropical que produz bagas azuis extremamente brilhantes. A casca dos frutos é composta por células com estrutura periódica de celulose, através do qual a luz pode refletir para dar à fruta sua cor azul metálico característica.

p Juntos, Kolle e Vukusic buscaram maneiras de traduzir a arquitetura fotônica da fruta em um material sintético útil. Em última análise, eles formaram fibras multicamadas de materiais extensíveis, e assumiu que o alongamento das fibras mudaria as espessuras das camadas individuais, permitindo-lhes ajustar a cor das fibras. Os resultados desses primeiros esforços foram publicados em Materiais avançados em 2013.

p Quando Kolle entrou para o corpo docente do MIT no mesmo ano, ele e seu grupo, incluindo Sandt, aprimorado no design e fabricação da fibra fotônica. Em sua forma atual, as fibras são feitas de camadas de borrachas transparentes comumente usadas e amplamente disponíveis, enrolado em núcleos de fibra altamente extensíveis. Sandt fabricou cada camada usando revestimento giratório, uma técnica em que uma borracha, dissolvido em solução, é derramado em uma roda giratória. O excesso de material é arremessado para fora da roda, deixando um fino, revestimento uniforme, cuja espessura pode ser determinada pela velocidade da roda.

p Para fabricação de fibra, Sandt formou essas duas camadas no topo de um filme solúvel em água sobre uma pastilha de silício. Ele então submergiu a bolacha, com todas as três camadas, em água para dissolver a camada solúvel em água, deixando as duas camadas de borracha flutuando na superfície da água. Finalmente, ele enrolou cuidadosamente as duas camadas transparentes em torno de uma fibra de borracha preta, para produzir a fibra fotônica colorida final.

p Pressão refletida

p A equipe pode ajustar a espessura das camadas das fibras para produzir qualquer ajuste de cor desejado, usando abordagens de modelagem óptica padrão personalizadas para seu projeto de fibra.

p "Se você quiser que uma fibra vá do amarelo ao verde, ou azul, nós podemos dizer, 'É assim que temos que definir a fibra para nos dar esse tipo de trajetória [de cor], '", Diz Kolle." Isso é poderoso porque você pode querer algo que reflita o vermelho para mostrar uma tensão perigosamente alta, ou verde para 'ok'. Temos essa capacidade. "

p A equipe fabricou fibras que mudam de cor com um variação de cor dependente de tensão usando o modelo teórico, e depois costurá-los ao longo do comprimento de uma bandagem de compressão convencional, que eles caracterizaram anteriormente para determinar a pressão que a bandagem gera quando é esticada em uma determinada quantidade.

p A equipe usou a relação entre o estiramento da bandagem e a pressão, e a correlação entre a cor da fibra e a deformação, para fazer uma cartela de cores, combinando a cor de uma fibra (produzida por um certo alongamento) com a pressão que é gerada pela bandagem.

p Para testar a eficácia da bandagem, Sandt e Moudio alistaram mais de uma dúzia de estudantes voluntários, que trabalharam em pares para aplicar três bandagens de compressão diferentes nas pernas uma da outra:uma bandagem simples, uma bandagem com fios de fibras fotônicas, e uma bandagem disponível comercialmente impressa com padrões retangulares. Esta bandagem é projetada para que, quando estiver aplicando uma pressão ideal, os usuários devem ver que os retângulos se transformam em quadrados.

p Geral, a bandagem tecida com fibras fotônicas deu o feedback de pressão mais claro. Os alunos foram capazes de interpretar a cor das fibras, e com base na cartela de cores, aplique uma pressão ideal correspondente com mais precisão do que qualquer uma das outras bandagens.

p Os pesquisadores agora estão procurando maneiras de aumentar o processo de fabricação de fibras. Atualmente, eles são capazes de fazer fibras com vários centímetros de comprimento. Idealmente, eles gostariam de produzir metros ou mesmo quilômetros dessas fibras de cada vez.

p "Atualmente, as fibras são caras, principalmente por causa do trabalho necessário para torná-los, "Kolle diz." Os materiais em si não valem muito. Se pudéssemos enrolar quilômetros dessas fibras com relativamente pouco trabalho, então eles seriam muito baratos. "

p Então, tais fibras podem ser enfiadas em bandagens, junto com têxteis, como roupas esportivas e calçados como indicadores de cores para, dizer, tensão muscular durante os treinos. Kolle prevê que eles também podem ser usados ​​como medidores de tensão legíveis remotamente para infraestrutura e maquinário.

p "Claro, eles também podem ser uma ferramenta científica que pode ser usada em um contexto mais amplo, que queremos explorar, "Kolle diz. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.