Bước đột phá trong khoa học vật liệu: Elastomer tổng hợp “da người” siêu bền

Trong một bước đột phá có thể mở đường cho thế hệ cấy ghép y tế, phẫu thuật xâm lấn tối thiểu và thậm chí là robot mềm sống động như thật, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại elastomer tổng hợp mới.

Vật liệu này, mang tên PCL-AD-4, có khả năng bắt chước da người, kết hợp độ bền cực cao, siêu dẻo dai, khả năng ghi nhớ hình dạng ở nhiệt độ cơ thể và an toàn sinh học chỉ trong một vật liệu duy nhất.

“Da người” tổng hợp: Vừa mềm dẻo, vừa siêu bền

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã nỗ lực tạo ra một vật liệu duy nhất có thể kết hợp các đặc tính mềm dẻo, linh hoạt của da người với độ bền cực cao và các đặc tính tiên tiến như ghi nhớ hình dạng. Một vật liệu như vậy có thể được dùng để tạo ra các thiết bị y tế phức tạp, có thể đưa vào cơ thể qua những vết rạch nhỏ trước khi tự bung ra thành hình dạng và chức năng cuối cùng.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết bài toán này bằng cách phát triển một vật liệu mới dựa trên polyurethane. Bằng cách sắp xếp cẩn thận các khối hóa học khác nhau, họ đã tạo ra một elastomer mô phỏng cấu trúc đan xen của collagen và elastin trong da. Vật liệu mới này còn thể hiện khả năng ghi nhớ hình dạng xuất sắc, với tỷ lệ cố định hình dạng gần như hoàn hảo (~100%) và khả năng phục hồi hình dạng lên tới hơn 94%.

Theo công bố ngày 13 tháng 6, vật liệu mới này thể hiện độ bền kéo thực sự lên tới 1.42 gigapascals (GPa) – mạnh hơn cả tơ nhện (khoảng 1.3 GPa). Nó cũng có năng lượng phá vỡ 384.7 ± 18.9 kJ/m2 – cao gấp khoảng 107 lần so với da người (3.6 kJ/m2). Điều này khiến nó có khả năng chống rách và đâm thủng đáng kinh ngạc.

Tự định hình ở nhiệt độ cơ thể: Tiềm năng cho y học và robot mềm

Tính năng thú vị nhất của PCL-AD-4 là khả năng ghi nhớ hình dạng ở nhiệt độ cơ thể. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các cấu trúc phức tạp, được in 4D, như stent hoặc giàn giáo mô, có thể được chế tạo hoặc nén thành một hình dạng tạm thời. Sau đó, chúng sẽ tự động bung trở lại hình dạng phức tạp ban đầu khi được làm ấm đến 37 °C (98.6 °F) – nhiệt độ cơ thể người.

Với sự phát triển phù hợp, PCL-AD-4 có thể trở thành nền tảng cho thế hệ tiếp theo của các hệ thống tích hợp sinh học. Từ cấy ghép thông minh có thể triển khai ít xâm lấn, đến các thiết bị y tế có khả năng thích ứng cao, và thậm chí là các bộ phận robot mềm với đặc tính giống như thật. Khám phá này hứa hẹn mở ra nhiều ứng dụng đột phá trong y học và robot học.