Químicos e engenheiros criam conjuntos ajustáveis ​​de lentes microscópicas

O olho de uma mosca possui cerca de 4.000 lentes microscópicas, e o de uma abelha até o dobro. Essas lentes, no entanto, não pertencem a um olho composto, mas ao polidimetilsiloxano – um polímero flexível há muito considerado o playground favorito de Stephen Morin, de Nebraska, e seu grupo de colegas químicos.

Com a ajuda dos engenheiros Ruiguo Yang e Grayson Minnick, a equipe de Morin pode agora organizar e fixar pequenas lentes gelatinosas em um material elástico que acomoda uma conquista ainda maior. Ao esculpir o equivalente a aquedutos no material e, em seguida, passar fluidos que alteram a temperatura ou coletam água através desses canais, os pesquisadores também podem expandir ou contrair as lentes em poucos segundos – modificando sua ampliação, distância focal e outras propriedades ópticas no processo.

Enquanto os insectos e os crustáceos desenvolveram os seus olhos multifacetados para desenhar panoramas de ambientes antigos, a equipa de Morin está a prever o futuro: projectar sinais em sensores incorporados em peles robóticas macias, por exemplo, através de controlo a pedido.

“As microlentes artificiais que temos hoje são relativamente estáticas”, disse Morin, professor associado de química na Universidade de Nebraska-Lincoln. “Eles têm uma distância focal fixa, um tamanho fixo. Eles são feitos de materiais que fornecem a propriedade de lente que você deseja, mas na verdade não possuem nenhuma característica dinâmica.”

Para adicionar o dinamismo que faltava, Morin e seus colegas recorreram aos hidrogéis, a classe de polímeros com infusão de água que confere flexibilidade às lentes de contato gelatinosas. No passado, a equipe aderiu fisicamente ilhas de hidrogel a materiais de silicone, um feito aparentemente difícil por si só. Mas uma agitação suficiente, ou a introdução de água suficiente, iria inevitavelmente separar as ilhas da sua base de silicone.

“O problema é que colocá-los juntos de uma forma que funcionem sinergicamente não está bem estabelecido”, disse Morin. “Não havia realmente nada por aí que reunisse esses dois materiais em uma plataforma robusta e de longo prazo.”

Superar o desafio, Morin sabia, significaria complementar a conexão física com uma conexão química. O estudante de doutorado John Kapitan e a equipe começaram preparando o silicone transparente com um tratamento de plasma padronizado, revestindo-o com grupos moleculares estratégicos e um composto à base de lítio, depositando as ilhas de hidrogel e, posteriormente, aplicando apenas os comprimentos de onda corretos de luz ultravioleta. Essa luz inicia a liberação de radicais livres altamente reativos que se espalham por vários grupos moleculares, essencialmente propagando cadeias que se projetam tanto do próprio silicone quanto através da estrutura emergente, estabilizando-a.

“Quando tudo estiver dito e feito”, disse Morin, “você terá uma estrutura um tanto monolítica.

“Agora, além dessa parte física, existe esse elemento químico. E esse era realmente o molho secreto.”

Morin e seus colegas colocariam “agressivamente” o monólito à prova. Eles jogaram água nele. Eles esticaram o silicone, torceram. Eles colocaram pedaços de fita adesiva e os retiraram, tentando levar as lentes com eles. Eles até aplicaram um banho ultrassônico, apimentando-o com frequências frequentemente usadas para limpar joias, eletrônicos e outros produtos que atraem sujeira. As lentes microscópicas permaneciam firmes em tudo isso.

“Quando terminamos, ficamos bastante satisfeitos porque eles estavam presos lá muito bem”, disse Morin.

Outra série de experimentos, liderada pelo estudante de doutorado Brennan Watts, logo testaria e demonstraria as lentes em ação. Em um deles, a equipe iluminou um Nebraska N, projetando-o em um conjunto de lentes de hidrogel e, além delas, em um microscópio posicionado para visualizar as imagens resultantes. Quando os pesquisadores passaram água fria pelo material que sustentava essas lentes, o Nebraska N apareceu nítido e em foco. Poucos segundos depois de aumentar a temperatura da água para 178 graus Fahrenheit, as lentes encolheram e, na hora certa, o N ficou fora de foco.

Para sua surpresa, a equipe descobriria mais tarde que a mudança no foco não resultou da mudança de tamanho ou curvatura das lentes, mas principalmente de uma alteração no chamado índice de refração. A luz viaja a velocidades diferentes ao passar por diferentes meios – ar, água, o olho humano – e essas mudanças na velocidade correspondem à refração ou curvatura da luz em diferentes ângulos. À medida que o hidrogel aqueceu e as lentes se contraíram, elas expeliram parte da sua água – aumentando a sua densidade, modificando o seu índice de refração e, em última análise, desfocando a imagem do N.

Embora Morin tenha dito que a adaptabilidade instantânea é um bom presságio para o uso do projeto em sistemas de microprojeção, o químico também está intrigado com suas aplicações potenciais em biologia. Como o hidrogel geralmente imita a rede gelatinosa que reside entre as células de organismos complexos, os pesquisadores muitas vezes o favorecem quando tentam cultivar células ou tecidos fora de um ambiente biológico.

Um dispositivo projetado por Yang, professor associado de engenharia mecânica e de materiais, concedeu ao laboratório de Morin controle preciso não apenas sobre o tamanho, padrão e composição das lentes de hidrogel que deposita, mas também sobre a orientação e tensão do silicone em que residem. Essa precisão, combinada com a capacidade da equipe de manipular reversivelmente as próprias lentes, pode expandir as opções de cultura disponíveis para aqueles que trabalham em biomateriais e engenharia biomédica, disse Morin.

“Parece razoável que estes tipos de mudanças dinâmicas no tamanho e na rigidez e coisas dessa natureza teriam um efeito profundo na biologia de qualquer coisa contida nelas”, disse ele. “Ainda não chegamos lá, mas certamente temos interesse nesses problemas.”

Para Morin, que passou anos experimentando silicones e outros polímeros, as considerações práticas de materiais adaptáveis ​​informam e são informadas pelo filosófico. Havia, disse ele, uma razão sensata para fixar as lentes de hidrogel ao silicone: a sua elasticidade alivia parte do stress imposto pelo inchaço e encolhimento das lentes, ajudando-as a manter uma aderência a longo prazo do que outros materiais mais frágeis conseguiriam.

Mas o químico também está interessado em reconsiderar a rigidez física e funcional do que é feito – de ver materiais e estruturas através de uma nova lente, mais ou menos alguns milhares.

“Acho que há alguma confusão sobre por que queremos materiais que se adaptem”, disse ele. “E acho que isso está embutido na maneira como projetamos e fabricamos materiais… desde quando começamos a fazer coisas, suponho.

“Sempre defendo que seria ótimo se, daqui a 100 anos, os materiais que fabricamos fossem capazes de se adaptar à medida que crescemos e mudamos, em vez de apenas serem projetados para permanecerem iguais o tempo todo. Claro, este trabalho é apenas um microcosmo disso. Mas essa é a ideia. É isso que os materiais adaptativos podem nos dar.”

A equipe, que também incluiu Nengjian Huang e Mark Rose, de Nebraska, relatou suas descobertas na revista Materiais Funcionais Avançados. Os pesquisadores receberam apoio do Army Research Office e da National Science Foundation.