La terapia de compresión es una forma estándar de tratamiento para los pacientes que sufren de úlceras venosas y otras afecciones en las que las venas luchan por devolver la sangre de las extremidades inferiores. Medias y vendajes de compresión, envuelto firmemente alrededor de la extremidad afectada, puede ayudar a estimular el flujo sanguíneo. Pero actualmente no existe una forma clara de evaluar si un vendaje está aplicando una presión óptima para una afección determinada.

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 se estira el vendaje, las fibras cambian de color. Usando una carta de colores, un cuidador puede estirar un vendaje hasta que coincida con el color para la presión deseada, antes de, decir, envolviéndolo alrededor de la pierna de un paciente.

Las fibras fotónicas pueden entonces servir como un sensor de presión continuo; si su color cambia, los cuidadores o los pacientes pueden utilizar la tabla de colores para determinar si es necesario aflojar o apretar el vendaje y en qué medida.

"Obtener la presión adecuada es fundamental para tratar muchas afecciones médicas, incluidas las úlceras venosas, que afectan a varios cientos de miles de pacientes en los EE. UU. cada año, "dice Mathias Kolle, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Estas fibras pueden proporcionar información sobre la presión que ejerce el vendaje. Podemos diseñarlas para que, para una presión específica deseada, las fibras reflejan un color que se distingue fácilmente ".

Kolle y sus colegas han publicado sus resultados en la revista. Materiales avanzados para el cuidado de la salud . 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 del Brigham and Women's Hospital-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, que enrollaron para crear una estructura tipo jelly-roll. 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 espesor constante, estos reflejos interactúan para fortalecer algunos colores en el espectro visible, por ejemplo rojo, mientras disminuye el brillo de otros colores. Esto hace que la fibra parezca de cierto color, dependiendo del grosor de las capas dentro de la fibra.

"El color estructural es realmente nítido, porque puedes ponerte más brillante, colores más 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 cuya luz, reflejada de una pila periódica de delgados, capas transparentes, puede producir colores vibrantes que dependen de los parámetros geométricos de la pila y la composición del material. La interferencia óptica es lo que produce remolinos de colores en charcos aceitosos y pompas de jabón. También es lo que da a los pavos reales y las mariposas su deslumbramiento, sombras 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 la luz más deslumbrantes de la naturaleza, para intentar recrearlos y emplearlos en aplicaciones útiles, "Dice Kolle.

Un enfoque de múltiples capas

El enfoque del equipo combina conceptos de diseño óptico conocidos con materiales blandos, para crear materiales fotónicos dinámicos.

Mientras realizaba un postdoctorado en Harvard en el grupo de la profesora Joanna Aizenberg, Kolle se inspiró en el trabajo de Pete Vukusic, profesor de biofotónica en la Universidad de Exeter en el Reino Unido, sobre Margaritaria nobilis, una planta tropical que produce bayas azules extremadamente brillantes. La piel de los frutos está formada por células con una estructura celulósica periódica, a través del cual la luz puede reflejarse para dar 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. Por último, fabricaron fibras multicapa a partir de materiales elásticos, y asumió que estirar las fibras cambiaría el grosor de las capas individuales, permitiéndoles afinar el color de las fibras. Los resultados de estos primeros esfuerzos se publicaron en Materiales avanzados en 2013.

Cuando Kolle se unió a la facultad del MIT en el mismo año, él y su grupo, incluido Sandt, mejorado en el diseño y 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 elásticos. Sandt fabricó cada capa utilizando recubrimiento por rotación, una técnica en la que una goma, disuelto en solución, se vierte sobre una rueca. El material sobrante se lanza fuera de la rueda, dejando un delgado, revestimiento uniforme, cuyo espesor se puede determinar por la velocidad de la rueda.

Para la fabricación de fibras, 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 goma flotando en la superficie del agua. Finalmente, con cuidado enrolló las dos capas transparentes alrededor de una fibra de goma negra, para producir la fibra fotónica colorida final.

Reflejando la presión

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 tenemos que 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 el rojo para mostrar una tensión peligrosamente alta, o verde para "ok". Tenemos esa capacidad ".

El equipo fabricó fibras que cambian de color con un variación de color dependiente de la deformación utilizando el modelo teórico, y luego los cosí a lo largo de un vendaje de compresión convencional, que previamente caracterizaron para determinar la presión que genera el vendaje cuando se estira en cierta cantidad.

El equipo utilizó la relación entre el estiramiento del vendaje y la presión, y la correlación entre el color y la deformación de la fibra, para elaborar una carta de colores, hacer coincidir el color de una fibra (producido por una cierta cantidad de estiramiento) con la presión que genera el vendaje.

Para probar la efectividad del vendaje, Sandt y Moudio reclutaron a más de una docena de estudiantes voluntarios, que trabajaron en parejas para aplicar tres vendajes de compresión diferentes en las piernas del otro:un vendaje liso, un vendaje enhebrado con fibras fotónicas, y un vendaje disponible comercialmente impreso con patrones rectangulares. Este vendaje está diseñado para que cuando esté aplicando una presión óptima, los usuarios deben ver que los rectángulos se convierten en cuadrados.

En general, el vendaje tejido con fibras fotónicas dio la respuesta de presión más clara. Los estudiantes pudieron interpretar el color de las fibras, y según la tabla de colores, aplique 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 fibra. En la actualidad, pueden producir fibras de varias pulgadas de largo. Idealmente, les gustaría producir metros o incluso kilómetros de tales fibras a la vez.

"En la actualidad, las fibras son costosas, principalmente por el trabajo que implica hacerlos, "Dice Kolle." Los materiales en sí mismos no valen mucho. Si pudiéramos desenrollar kilómetros de estas fibras con relativamente poco trabajo, entonces serían muy baratos ".

Luego, tales fibras podrían enhebrarse en vendajes, junto con textiles como ropa deportiva y zapatos como indicadores de color para, decir, tensión muscular durante los entrenamientos. Kolle prevé que también se pueden utilizar como galgas extensométricas de lectura remota para infraestructura y maquinaria.

"Por supuesto, también podrían ser una herramienta científica que podría utilizarse en un contexto más amplio, que queremos explorar, "Dice Kolle.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.