استفاده از حسگر‌های میکروالکترونیکی در بافت بدن برای ذخیره انرژی

باشگاه خبرنگاران - ۴ مهر ۱۴۰۰

به گزارش خبرنگار حوزه فناوری گروه علمی پزشکی باشگاه خبرنگاران جوان،به نقل از nanowerk، هر چند حوزه کوچک سازی فناوری حسگر‌های میکروالکترونیکی، روبات‌های میکروالکترونیکی یا ایمپلنت‌های داخل به سرعت در حال رشد است، اما چالش‌های بزرگی را هم برای تحقیقات ایجاد می‌کند. توسعه دستگاه‌های ذخیره انرژی بسیار کوچک از جمله حوزه‌های چالش برانگیز است. دستگاه‌های ذخیره انرژی بسیار کوچک در مناطق کوچکتر و بیشتر بدن انسان عملکرد میکروسیستم‌های خودکار را فعال می‌کند که در صورت استفاده در بدن این دستگاه‌ها باید سازگار با محیط زیست باشند که در حال حاضر یک نمونه اولیه وجود دارد که این ویژگی‌های ضروری را ترکیب می‌کند. این پیشرفت و تحقیقات توسط یک تیم تحقیقاتی بین المللی به سرپرستی پروفسور الیور اشمیت، استاد سیستم‌های مواد برای نانوالکترونیک در دانشگاه صنعتی کمنیتز، انجام شده است.

آرایه‌ای از ۹۰ خازن نانوساختار زیستی لوله‌ای (nBSCs) بر روی نوک انگشت قرار می‌گیرد که عملکرد خودکار حسگر‌ها در خون را فعال می‌سازد؛ همچنین در مسئله فعلی ارتباطات طبیعت نانو زیستی، خازن‌ها عملکرد سنسور autarkic را در خون فعال می‌کنند، محققان در مورد کوچکترین خازن‌ها تا به امروز گزارش می‌دهند، که قبلا در رگ‌های خونی (مصنوعی) عمل کرده، بنابراین می‌توانند به عنوان منبع انرژی برای سیستم حسگر کوچک برای اندازه گیری pH مورد استفاده قرار گیرند.

این سیستم ذخیره سازی، امکاناتی را برای ایمپلنت‌های داخل عروقی و سیستم‌های میکرو روباتیک برای زیست پزشکی نسل بعدی ایجاد می‌کند که می‌توانند در فضا‌های کوچک و در دسترس در عمق بدن انسان به سختی کار کنند، به عنوان مثال تشخیص زمان واقعی pH خون می‌تواند به پیش بینی رشد اولیه تومور کمک کند. پروفسور الیور اشمیت، سرپرست گروه تحقیقاتی مشاهده انعطاف پذیر و سازگاری میکروالکترونیک‌های جدید و همچنین سازگاری و ورود آن‌ها به دنیای کوچک سیستم‌های بیولوژیکی را بسیار امیدوارکننده می‌داند .ساخت نمونه‌ها و بررسی خازن زیستی تا حد زیادی در مرکز تحقیقات MAIN در دانشگاه فناوری کمنیتز انجام شده است.

دکتر Vineeth Kumar، محقق این مطالعه معتقد است معماری ابرخازن‌های نانو زیست خالص اولین راه حل بالقوه را برای یکی از بزرگترین چالش‌ها که شامل دستگاه‌های ذخیره انرژی کوچک یکپارچه که عملکرد خودکفا سیستم‌های میکروسیستم چند منظوره می‌شود، ارائه می‌دهد.

معمولا این ابرخازن‌ها از مواد زیست سازگار استفاده نمی‌کنند بلکه از الکترولیت‌های خورنده بهره می‌برند و در صورت بروز نقص و آلودگی سریع خود را تخلیه می‌کنند که هر دو جنبه آن‌ها را برای کاربرد‌های پزشکی در بدن نامناسب می‌کند.

"علاوه بر آن، خازن‌های زیستی می‌توانند رفتار تخلیه خود را از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی زیستی جبران کنند"به اصطلاح راه حل هایی را که خازن‌های زیستی ارائه می‌دهند دارای دو خاصیت برجسته است.

سازگاری زیستی یکی از این خاصیت‌هاست، به این معنی که می‌توان آن‌ها را در مایعات بدن مانند خون استفاده و برای مطالعات پزشکی بیشتر استفاده کرد. علاوه بر آن، خازن‌های زیستی می‌توانند رفتار تخلیه خود را از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی زیستی جبران کنند. با این کار آن‌ها حتی از واکنش‌های خود بدن نیز سود می‌برند. علاوه بر واکنش‌های معمولی ذخیره سازی یک ابرخازن، واکنش‌های آنزیمی ردوکس و سلول‌های زنده موجود در خون عملکرد دستگاه را تا ۴۰ درصد افزایش می‌دهد. در حال حاضر کوچکترین چنین دستگاه‌های ذخیره سازی انرژی از ۳ میلی متر مکعب بزرگتر هستند.

فناوری ساختار اوریگامی

فناوری ساختار اوریگامی شامل قرار دادن مواد مورد نیاز برای اجزای nBSC بر روی سطح نازک ویفر تحت کشش مکانیکی بالاست.

هنگامی که لایه‌های مواد متعاقبا به صورت کنترل شده از سطح جدا می‌شوند، انرژی کرنش آزاد می‌شود و لایه‌های خود را با دقت و عملکرد بالا (۹۵ ٪) به دستگاه‌های فشرده سه بعدی تبدیل می‌کنند. خازن‌های نانو زیستی تولید شده در این روش در سه محلول به نام الکترولیت سالین، پلاسمای خون آزمایش شدند. در هر سه الکترولیت، ذخیره انرژی به اندازه کافی، اما با بازدهی متفاوت موفق بوده است. در خون خازن نانو زیستی عمر بسیار خوبی از خود نشان داده و ۷۰ درصد از ظرفیت اولیه خود را حتی پس از ۱۶ ساعت حفظ کرده و از جدا کننده تبادل پروتون (PES) برای سرکوب تخلیه سریع خود استفاده شده است.

ثبات عملکرد حتی در شرایط واقعی

به منظور حفظ عملکرد‌های طبیعی بدن در شرایط مختلف، ویژگی‌های جریان خون و فشار در رگ‌ها در حال تغییر مداوم است. جریان خون ضربان دارد و بسته به قطر رگ و فشار خون متفاوت است.

"علاوه بر واکنش‌های معمولی ذخیره سازی یک ابرخازن، واکنش‌های آنزیمی ردوکس و سلول‌های زنده موجود در خون عملکرد دستگاه را تا ۴۰ درصد افزایش می‌دهد"هر سیستم قابل کاشت در سیستم گردش خون باید در برابر این شرایط فیزیولوژیکی مقاومت کرده و عملکرد پایدار را حفظ کند. این تیم تحقیقاتی عملکرد توسعه خود را شبیه به تونل باد در کانال‌های به اصطلاح میکروسیالی با قطر ۱۲۰ تا ۱۵۰ میکرومتر (۰.۱۲ تا ۰.۱۵ میلی متر) مورد مطالعه قرار دادند تا از عروق خونی در اندازه‌های مختلف تقلید کنند.

در این کانال‌ها، محققان رفتار دستگاه‌های ذخیره انرژی خود را در شرایط مختلف جریان و فشار شبیه سازی و آزمایش کرده و دریافتند خازن‌های نانو زیستی می‌توانند تحت شرایط فیزیولوژیکی مناسب، قدرت خود را به خوبی و پایدار تامین کنند و همچنین فناوری حسگر مستقل می‌تواند از تشخیص تومور پشتیبانی کند. پتانسیل هیدروژن (pH) خون در معرض نوسان است، به عنوان مثال اندازه گیری مداوم pH می‌تواند به تشخیص زود هنگام تومور‌ها کمک کند به همین دلیل محققان یک سنسور pH ایجاد کردند که توسط خازن نانو زیستی با انرژی تامین می‌شود.

فناوری ترانزیستور فیلم نازک ۵ میکرومتر (TFT) می‌تواند برای توسعه یک نوسان ساز حلقه‌ای با انعطاف پذیری مکانیکی فوق العاده، با قدرت کم (nW تا µWW) و فرکانس‌های بالا (تا ۱۰۰ مگاهرتز) مورد استفاده قرار گیرد. برای پروژه فعلی تیم از نوسان ساز حلقه‌ای مبتنی بر nBSC استفاده کرد. این تیم یک BSC حساس به pH را در نوسان ساز حلقه ادغام کردند تا بسته به pH الکترولیت، فرکانس خروجی تغییر کند.

این نوسان ساز حلقه حساس به pH نیز با استفاده از تکنیک "Swiss-roll" Origami به شکل هندسی لوله‌ای سه بعدی شکل گرفت و یک سیستم کاملا یکپارچه و فوق فشرده برای ذخیره و حسگر انرژی ایجاد کرد.

هسته داخلی توخالی این سیستم حسگر میکرو به عنوان یک کانال برای پلاسمای خون عمل می‌کند. علاوه بر این سه nBSC که به صورت سری با سنسور متصل شده‌اند، اندازه گیری pH بسیار کارآمد و خودکفا را امکان پذیر می‌کند. این ویژگی‌ها طیف وسیعی از کاربرد‌های احتمالی را برای تشخیص و دارو باز می‌کنند.

بیشتربخوانید: