فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه ماساچوست با توسعه یک فناوری زیست‌هیبریدی توانسته‌اند از حرکات سلول‌های زنده قلب انسان برق تولید کنند و راهی جدید برای تأمین انرژی تجهیزات پزشکی ارائه دهند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این پژوهشگران یک شبکه الکترونیکی فوق‌نازک و انعطاف‌پذیر ساخته‌اند که با سلول‌های زنده قلب انسان ترکیب می‌شود و انرژی مکانیکی حاصل از انقباض آنها را به برق تبدیل می‌کند. این فناوری می‌تواند در آینده وابستگی تجهیزات پزشکی کاشتنی و دستگاه‌های پوشیدنی به باتری‌های معمولی را کاهش دهد.
این دستگاه که «برداشت‌کننده انرژی زیست‌هیبریدی شبکه‌ای» نام دارد، از تعداد زیادی مولد پیزوالکتریک بسیار کوچک تشکیل شده است. پژوهشگران این مولدها را درون شبکه‌ای انعطاف‌پذیر قرار داده‌اند تا سلول‌های زنده بتوانند در میان و اطراف آنها رشد کنند. هنگام انقباض سلول‌های قلب، مولدها تغییر شکل می‌دهند و انرژی مکانیکی را به برق تبدیل می‌کنند.
نتایج آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که این سامانه در مقایسه با روش‌های متداول برداشت انرژی، به چگالی انرژی مؤثری بیش از ۱۰ برابر دست یافته است. پژوهشگران نتایج این دستاورد را در مجله علمی Science Advances منتشر کرده‌اند.
اهمیت این فناوری به محدودیت‌های باتری در تجهیزات پزشکی مربوط می‌شود. امروزه دستگاه‌هایی مانند ضربان‌سازهای قلب، کاشت حلزون شنوایی، اندام‌های مصنوعی بیونیک، محرک‌های عصبی و تجهیزات مدیریت دیابت نقش مهمی در زندگی میلیون‌ها بیمار دارند. با وجود این، بیشتر این تجهیزات برای فعالیت به باتری نیاز دارند و همین وابستگی مشکلات متعددی ایجاد می‌کند.
باتری‌ها علاوه بر اشغال فضای زیاد، وزن و سختی ساختار تجهیزات را افزایش می‌دهند. ظرفیت محدود آنها نیز باعث می‌شود دستگاه‌ها پس از مدتی به شارژ مجدد یا تعویض باتری نیاز پیدا کنند. این مسئله در تجهیزات پزشکی کاشتنی اهمیت بیشتری دارد، چرا که تعویض باتری ممکن است انجام جراحی دیگری را ضروری کند و هزینه‌ها و خطرات پزشکی بیشتری به همراه داشته باشد.
کوچک‌تر کردن باتری‌ها نیز راه‌حل کاملی نیست. باتری‌های نازک‌تر و سبک‌تر معمولا انرژی کمتری ذخیره می‌کنند و ممکن است مدت فعالیت تجهیزات را کاهش دهند. به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال روش‌هایی هستند که بتوانند انرژی مورد نیاز دستگاه‌ها را مستقیما از بدن انسان تأمین کنند.
بیشتر بخوانید: فناوری جدید چینی‌ها برای تولید برق از کف پای ربات‌ها
استفاده از حرکات طبیعی بدن برای تولید انرژی الکتریکی
بدن انسان به‌طور مداوم انرژی شیمیایی، مکانیکی و الکتریکی تولید و مصرف می‌کند. فعالیت‌هایی مانند ضربان قلب، تنفس و حرکت عضلات، منابع بالقوه‌ای برای برداشت انرژی محسوب می‌شوند. دانشمندان در سال‌های اخیر روش‌های مختلفی را برای تبدیل این انرژی‌ها به برق بررسی کرده‌اند.
یکی از این روش‌ها استفاده از مولدهای ترموالکتریک است که اختلاف دمای بدن و محیط اطراف را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. روش دیگر به مولدهای پیزوالکتریک متکی است که هنگام قرار گرفتن تحت فشار، کشش یا تغییر شکل مکانیکی، بار الکتریکی تولید می‌کنند.
مولدهای پیزوالکتریک برای تجهیزات پزشکی کاشتنی اهمیت ویژه‌ای دارند، چرا که اندام‌های بدن حتی هنگام استراحت نیز حرکت می‌کنند. قلب با هر ضربان، منقبض و منبسط می‌شود و ریه‌ها نیز هنگام تنفس تغییر حجم می‌دهند، این حرکات می‌توانند بدون نیاز به منبع انرژی خارجی، امکان تولید مداوم برق را فراهم کنند.
پژوهشگران پیش‌تر نمونه‌هایی از ضربان‌سازهای آزمایشی را توسعه داده‌اند که انرژی مورد نیاز خود را از ضربان قلب حیوانات دریافت می‌کنند. همچنین فناوری‌های پوشیدنی دیگری ساخته شده‌اند که از حرکت بدن برای تولید بار الکتریکی استفاده می‌کنند.
با وجود این، سامانه‌های پیزوالکتریک متداول محدودیت‌های مهمی دارند. این تجهیزات معمولا به صورت دستگاه‌هایی مستقل روی سطح بافت زنده نصب می‌شوند. چنین ساختاری باعث می‌شود تماس مولدها با بافت محدود باشد و نتوانند از تمام حرکات سلولی انرژی برداشت کنند.
از سوی دیگر، ویژگی‌های مکانیکی تجهیزات الکترونیکی معمولا با بافت‌های نرم بدن تفاوت دارد. این اختلاف می‌تواند یکپارچگی دستگاه با بافت زنده را دشوار کند. افزایش اندازه یا تعداد مولدها نیز ممکن است حجم تجهیزات را بیشتر کند و انعطاف‌پذیری آنها را کاهش دهد.
پژوهشگران دانشگاه ماساچوست برای برطرف کردن این مشکلات، به‌جای استفاده از یک مولد بزرگ، مجموعه‌ای از مولدهای کوچک را در سراسر یک شبکه انعطاف‌پذیر توزیع کرده‌اند. این طراحی از نحوه توزیع فعالیت‌های مرتبط با تولید انرژی در بافت‌های موجودات زنده الهام گرفته است.
بیشتر بخوانید: تولید برق از قطرات آب توسط دانشمندان سنگاپوری
ساخت شبکه الکترونیکی که با سلول‌های قلب رشد می‌کند
پژوهشگران برای ساخت دستگاه جدید ابتدا نوارهای بسیار کوچکی از ماده تیتانات زیرکونات سرب، با نام اختصاری PZT، تولید کردند. این ماده نوعی سرامیک پیزوالکتریک است که در حسگرها و عملگرهای الکترونیکی کاربرد دارد و هنگام تغییر شکل مکانیکی، بار الکتریکی ایجاد می‌کند.
سپس آنها نوارهای PZT را درون یک شبکه پلیمری فوق‌نازک و بسیار انعطاف‌پذیر قرار دادند. نتیجه این فرایند، مجموعه‌ای از واحدهای برداشت انرژی بود که در نقاط مختلف شبکه به یکدیگر متصل شده‌اند.
بیشتر بخوانید: تولید برق از بال زدن زنبورها!
تفاوت اصلی این ساختار با تجهیزات متداول در طراحی باز شبکه است. برخلاف بسترهای الکترونیکی جامد، این شبکه فضاهای خالی متعددی دارد که سلول‌های زنده می‌توانند از میان آنها عبور کنند و در اطراف اجزای الکترونیکی رشد نمایند.
پژوهشگران برای بررسی عملکرد دستگاه در تولید برق، سلول‌های قلب انسان را روی شبکه کشت دادند. این سلول‌ها به تدریج درون و اطراف ساختار رشد کردند و شبکه الکترونیکی را با بافت در حال شکل‌گیری یکپارچه ساختند.
ساختار زیست‌هیبریدی حاصل می‌توانست همراه با سلول‌های زنده حرکت کند و تغییر شکل دهد. هنگام انقباض سلول‌های قلب، نوارهای پیزوالکتریک نیز تحت فشار مکانیکی قرار می‌گرفتند و در نقاط مختلف شبکه برق تولید می‌کردند.
این معماری توزیع‌شده مهم‌ترین نوآوری پژوهش محسوب می‌شود. در روش‌های متداول، یک برداشت‌کننده انرژی نسبتا بزرگ به بخش مشخصی از بافت متصل می‌شود. اما در فناوری جدید، تعداد زیادی مولد کوچک مستقیما با ساختار بافت در ارتباط هستند و می‌توانند انرژی حرکات سلولی را از نقاط مختلف جمع‌آوری کنند.
این طراحی علاوه بر افزایش سطح تعامل میان سلول‌ها و اجزای الکترونیکی، انعطاف‌پذیری لازم را برای همراهی با حرکات طبیعی بافت حفظ می‌کند. پژوهشگران معتقد هستند کاهش تفاوت ویژگی‌های مکانیکی شبکه و بافت زنده می‌تواند سازگاری زیستی دستگاه را نیز بهبود دهد.
نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که نسبت انرژی برداشت‌شده به حجم مؤثر دستگاه بیش از ۱۰ برابر افزایش یافته است.
مزیت دیگر این فناوری، قابلیت افزایش ظرفیت تولید برق است. پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که می‌توان چندین لایه از شبکه فوق‌نازک را روی یکدیگر قرار داد تا انرژی بیشتری تولید شود، بدون اینکه حجم کلی دستگاه به میزان قابل توجهی افزایش پیدا کند.
چنین قابلیتی می‌تواند به مهندسان اجازه دهد تعداد لایه‌ها و ظرفیت برداشت انرژی را متناسب با نیاز تجهیزات پزشکی مختلف تنظیم کنند. البته پژوهشگران هنوز عملکرد عملی این ساختار چندلایه را در یک ایمپلنت پزشکی نشان نداده‌اند.
چالش‌های پیش‌روی تولید برق از سلول‌های زنده قلب
پژوهشگران امیدوار هستند که فناوری زیست‌هیبریدی جدید در آینده برای تأمین انرژی ضربان‌سازهای قلب، سامانه‌های پایش فعالیت قلب، محرک‌های عصبی و سایر تجهیزات پزشکی کم‌مصرف استفاده شود.
همچنین این فناوری می‌تواند مسیر تازه‌ای برای توسعه حسگرهای پوشیدنی و دستگاه‌های الکترونیکی ایجاد کند که مستقیما با بافت‌های زنده در ارتباط هستند. چنین تجهیزاتی در صورت دستیابی به عملکرد پایدار، ممکن است وابستگی کمتری به باتری‌های حجیم داشته باشند.
اهمیت این موضوع تنها به ایمپلنت‌های پزشکی محدود نمی‌شود. طبق نظرسنجی سال ۲۰۲۵ مؤسسه Rock Health، حدود ۱۲۰ میلیون بزرگسال آمریکایی، معادل ۴۶ درصد جمعیت بزرگسال این کشور از دستگاه‌های پوشیدنی مانند ساعت‌ها و انگشترهای هوشمند استفاده می‌کنند.
گسترش استفاده از این تجهیزات، نیاز به روش‌های جدید تأمین انرژی را افزایش داده است. فناوری‌هایی که بتوانند از فعالیت طبیعی بدن برق تولید کنند، ممکن است در آینده به ساخت دستگاه‌های کوچک‌تر، سبک‌تر و کم‌نیازتر به شارژ کمک کنند.
جون یائو، نویسنده ارشد مقاله و دانشیار دانشکده مهندسی ریچیو در دانشگاه ماساچوست امهرست معتقد است که یکپارچگی تجهیزات الکترونیکی با بافت زنده می‌تواند مشکلات ناشی از باتری‌های حجیم را کاهش دهد.
او در توضیح این موضوع گفت: «بدن ما تمایل دارد سامانه‌هایی را که باتری‌های حجیم دارند، پس بزند. اما وقتی دستگاه در سطح سلولی قرار می‌گیرد، سازگاری زیستی آن به شدت بهبود می‌یابد.»
همچنین یائو تأکید کرد: «زیبایی این سامانه در غیرتهاجمی بودن و توان بالای آن است.»
با وجود نتایج امیدوارکننده، فناوری جدید هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. پژوهشگران تاکنون عملکرد آن را فقط در بافت قلبی پرورش‌یافته در آزمایشگاه بررسی کرده‌اند و هنوز آزمایشی روی یک موجود زنده انجام نداده‌اند.
همچنین مشخص نیست که برق تولیدشده توسط این شبکه برای تأمین مستقل انرژی یک ایمپلنت پزشکی کاربردی، کافی باشد. دوام بلندمدت دستگاه، پایداری خروجی برق و سازگاری زیستی آن نیز به بررسی‌های بیشتری نیاز دارد.
یکی از مهم‌ترین چالش‌ها به ترکیب شیمیایی ماده PZT مربوط می‌شود. این ماده حاوی سرب است که برای بدن انسان خاصیت سمی دارد. بنابراین، پژوهشگران باید راهکاری مطمئن برای جداسازی آن از بافت‌های اطراف پیدا کنند تا استفاده بلندمدت از دستگاه خطری برای سلامت ایجاد نکند.
با وجود این، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب مستقیم تجهیزات الکترونیکی با سلول‌های زنده می‌تواند رویکرد جدیدی برای برداشت انرژی از بدن ایجاد کند. موفقیت در برطرف کردن محدودیت‌های فعلی، زمینه توسعه نسل تازه‌ای از ایمپلنت‌های پزشکی و تجهیزات پوشیدنی را فراهم خواهد کرد که انرژی مورد نیاز خود را از فعالیت طبیعی بافت‌های بدن دریافت می‌کنند.
