الإلكترونيات الداخلية – سد الفجوة بالذهب

السوق ل الأجهزة الطبية القابلة للزرع ينمو بشكل مطرد، مدفوعًا بارتفاع معدلات الاضطرابات المزمنة وزيادة وعي المستهلك. الوتيرة مدعومة باقتدار بالتكنولوجيا التقدم، مما يساعد على جعل هذه الأجهزة أكثر كفاءة وملاءمة ومنخفضة التكلفة. 

تشير الأرقام إلى أن سوق الأجهزة الطبية القابلة للزرع في جميع أنحاء العالم سوف تتضاعف تقريبًا خلال عقد من الزمن، من 105.7 مليار دولار أمريكي في عام 2023 إلى 207.0 مليار دولار أمريكي في عام 2033. اليوم، سنبدأ بالنظر في أحد الابتكارات الأكثر تحديدًا في هذا المجال في الآونة الأخيرة، والذي يعد أيضًا من أعراض ازدهار الفضاء. حيث يتقاطع علم وظائف الأعضاء الطبي مع الإلكترونيات الفعالة. 

الأسلاك النانوية الذهبية والأقطاب الكهربائية الناعمة جاهزة للتوصيل بالجهاز العصبي 

فريق من الباحثين في جامعة لينشوبينغ لديها صنعت أسلاكًا ذهبية نانوية وطورت أقطابًا كهربائية ناعمة يمكنها ذلك العمل يعادل الأعصاب البشرية في من مشاركة المرونة والتوصيل الكهربائي والمتانة داخل الجسم. 

يرى الباحثون والخبراء إمكانات هائلة في هذا الابتكار. لنبدء ب، فهو يفتح الحدود حيث يمكن استخدامه الذهب في واجهات ناعمة لتوصيل الإلكترونيات بالجهاز العصبي للأغراض الطبية. 

إذا تم تطبيقه بشكل صحيح، فقد يؤدي ذلك إلى تخفيف حالات معقدة مثل الصرع، الشلل الرعاش المرض والشلل وهو مصدر قلق في كل مكان مثل الألم المزمن. 

منذ فترة طويلة، كان الباحثون على مستوى العالم مهتمين بإنشاء أقطاب كهربائية ناعمة أن لا ضرر القادم منديل. وقد ساعد هذا الإنجاز الخاص الذي حققه باحثو جامعة لينشوبينغ في تحقيق ذلك من خلال إنشاء أسلاك ذهبية نانوية أن كانت أرق بألف مرة من الشعر ومدمجة في مادة مرنة يمكن أن تعمل كأقطاب كهربائية دقيقة ناعمة. 

كلاس تيبرانت، أثناء حديثه عن تفرد البحث ونتائجه، كان لديه ما يلي ليقول:

"قمنا نجحت في صنع مادة نانوية جديدة أفضل من أسلاك الذهب النانوية مع مطاط السيليكون الناعم للغاية. وقد أدى جعل هذه العناصر تعمل معًا إلى الحصول على موصل ذو موصلية كهربائية عالية، وهو ناعم جدًا ومصنوع من مواد متوافقة حيويًا تعمل مع الجسم".

إنشاء أسلاك ذهبية نانوية: مواجهة التحديات والتغلب عليها

إحدى الصعوبات الرئيسية التي واجهها الباحثون كانت فيما يتعلق بإنتاج هياكل ذهبية نانوية طويلة وضيقة. وقد توصل الباحثون إلى طريقة فريدة للتغلب على هذا التحدي، وذلك باستخدام الأسلاك الفضية النانوية. شرح كيف يمكن تحقيق هذا العمل الفذ الفريدقال كلاس تيبرانت ما يلي:

"As انها من الممكن صنع أسلاك فضية نانوية، نستفيد من ذلك ونستخدم أسلاك الفضة النانوية كنوع من القالب الذي ننمو عليه الذهب. الخطوة التالية في العملية هي إزالة الفضة. مرة واحدة هذا فعل، لدينا مادة تحتوي على أكثر من 99 بالمائة من الذهب".

في الأصل، لم يتمكن الباحثون من استخدام الفضة لأنها متفاعلة كيميائيًا، وتبلى بمرور الوقت، وتتعرض لخطر الانهيار وتغير اللون. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون التركيزات العالية من الفضة سامة لجسم الإنسان. ولذلك كان عليهم أن يطلوها بالذهب.

وفيما يتعلق بالمادة التي ابتكروها ومتانتها، يعتقد الباحثون أن حلهم قد يدوم لمدة ثلاث سنوات على الأقل، متفوقًا على العديد من المواد النانوية التي تم تطويرها سابقًا.

وقريبًا، سيبدأ فريق البحث العمل على تحسين المادة وإنشاء أنواع مختلفة من الأقطاب الكهربائية التي ستكون أصغر حجمًا ومن الممكن أن تتواصل بشكل أوثق مع الخلايا العصبية.

العالم المتنوع للزراعة

في حين تم ذكر فائدة هذا البحث بالفعل، هناك العديد من الأجهزة المزروعة الأخرى المتوفرة في مجال التكنولوجيا الطبية. فهي تساعد في جعل التشخيص والعلاج أكثر اتساقًا وبأسعار معقولة وفعالية. 

على سبيل المثال، طوّر علماء في جامعة جورجيا التقنية مستشعرًا قابلًا للزرع والارتداء، يراقب شفاء تمدد الأوعية الدموية في الدماغ. ولأنه يعمل بدون بطاريات، يُمكن لفّه حول الدعامات أو المحولات المزروعة لتنظيم تدفق الدم.

يتم إنشاء المستشعر باستخدام طباعة الأيروسول النفاثة ثلاثية الأبعاد، والتي تضع آثارًا فضية موصلة على ركائز مرنة. يتم إدخاله عبر قسطرة، ويستخدم الاقتران الاستقرائي للإشارات للكشف اللاسلكي عن ديناميكا الدم المحاكاة بيولوجيًا لتمدد الأوعية الدموية الدماغية.

تتضمن العملية ثلاث ملفات. يلتقط أحد الملفات الطاقة الكهرومغناطيسية المنقولة من ملف آخر خارج الجسم. ومع تدفق الدم عبر الدعامة، يغير المستشعر المزروع سعته، مما يغير الإشارة المرسلة إلى ملف خارجي ثالث.

وفي مثال آخر لخط عمل مماثل، قام مجموعة من المهندسين في جامعة تكساس إيه آند إم بتطوير جهاز يستخدم الجرافين ويحقن التيار المتردد في الجلد لمراقبة ضغط الدم. 

يمكن لمستشعرات الجرافين القابلة للالتصاق، والتي يطلق عليها اسم Graphene Electronic Tattoos، تتبع صحة القلب والأوعية الدموية من خلال المراقبة المستمرة. يمكنهم مواصلة العمل وجمع البيانات ذات الصلة حتى عندما يكون المريض نائمًا أو يمارس الرياضة أو يعاني حالات التوتر الشديد. 

وتجري الأبحاث أيضًا لتحديد كيف يمكن لهذه الأجهزة القابلة للزرع تسخير الطاقة واستخدامها. على سبيل المثال، فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طور بطارية تستمد طاقتها من الجلوكوز. تبلغ سماكة البطارية الجديدة 400 نانومتر فقط، أو حوالي 1/100 من قطر شعرة الإنسان. ويولد حوالي 43 ميكرووات لكل سنتيمتر مربع من الكهرباء ويمكنه الصمود درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية. 

استخدم الباحثون ركيزة سيراميكية رفيعة للغاية ومحلول الجلوكوز لتمكين البطارية من المرونة وجعلها ملائمة لوضعها داخل الجسم. 

بينما يعمل الباحثون على تعال إلى الأعلى مع نظرًا لأكبر عدد ممكن من الحلول التقنية الجديدة والفريدة من نوعها، تعمل بعض الشركات على إتاحة أجهزة قابلة للزرع فعالة للاستخدام على نطاق واسع. في الأجزاء القادمة، سنقوم بذلك تفحص اثنين من هذه الحلول التجارية. 

# 1. كورتيك

واحد من الشركات التي قدمت باستمرار حلولاً رائدة هو كورتيك. شركة حاصلة على شهادة الأيزو 13485، تقوم شركة CorTec بتطوير وتصنيع المنتجات والمكونات الخاصة بالتعديل العصبي وتكنولوجيا الزرع النشط في مختبراتها الداخلية والبنية التحتية للغرفة النظيفة. 

كورتيك مجموعة براءة اختراع من أقطاب AirRay الكهربائية أثبتت فائدتها التحفيز والتسجيل الأنسجة العصبية، بمثابة واجهات مثالية للجهاز العصبي للأجهزة الطبية. 

على سبيل المثال، توفر أقطاب الكفة AirRay واجهة كهربائية للجهاز العصبي المحيطي، في حين تم تصميم أقطاب الشبكة والأقطاب الكهربائية للتواصل مع الجهاز العصبي المركزي. تم تصميم أقطاب AirRay الكهربائية عن طريق الجلد للاستخدام تحت الجلد، وكذلك لتسجيل وتحفيز الحبل الشوكي. وأخيرًا، توفر أقطاب المجداف AirRay واجهة كهربائية للجهاز العصبي المركزي، وتستهدف على وجه التحديد الحبل الشوكي.

وبصرف النظر عن هذا النطاق، واحد من كورتيك تتضمن الحلول الحاصلة على براءة اختراع أيضًا أقطابها القشرية. هذه هي كورتيك أقطاب ECoG للمراقبة العصبية الغازية. ومن خلال هذه الأقطاب الكهربائية يمكن القيام بمراقبة إشارات الدماغ الكهربائية، وهي تمشيا مع متطلبات توطين بؤر الصرع أو رسم خرائط الدماغ. يمكن للأقطاب الكهربائية يستخدم لمدة أقصاها 29 يومًا، ومن الممكن توصيل إجمالي 64 قطبًا كهربائيًا باستخدام كابلين فقط. تكون نقاط اتصال القطب الكهربائي غير محسوسة تقريبًا ويتم قفلها بأمان مع المادة لمنع انفصالها عن السيليكون.

أحد أهم جوانب كورتيك الأقطاب الكهربائية القشرية هي أن إدارة الغذاء والدواء الأمريكية وجدت أنها مناسبة للموافقة والترخيص في السوق للمراقبة العصبية الغازية في الجهاز العصبي المركزي. تشتمل مجموعة المنتجات على جميع ترتيبات الاتصال الممكنة بدءًا من جهات اتصال القطب الكهربائي 1×4 إلى 8×8.

وبصرف النظر عن التمويل العام الكبير، CorTec، بحسب إعلانها الرسمي، وقد أثار أربع جولات من التمويل. تشمل قائمتها للمستثمرين الحاليين Mangold Invest، وM-Invest، وKfw، وHigh-Tech Gruenderfonds، وSanto Venture Capital GmbH، وLBBW Venture Capital، وK & SW Invest. 

يشمل التمويل العام إعانات مالية من الوزارة الاتحادية الألمانية للتعليم والبحث (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) والاتحاد الأوروبي.

# 2. أتروتيك

هناك شركة أخرى كانت تقوم بأعمال متخصصة إلى حد ما ولكنها غيرت قواعد اللعبة في هذا المجال لعقود من الزمن وهي Atrotech. تأسست شركة Atrotech في عام 1984 وتقع في تكنوبوليس هيرميا، تامبيري، فنلندا، وقد ظهرت نتيجة لـ أفكار المنتجات متعددة التخصصات التي تجمع بين الطب والهندسة الحيوية العلوم، مع التركيز الرئيسي للأنشطة على مجال التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES). 

اثنان من أتروتيك تشمل المساهمات الرئيسية في هذا المجال تصميم وتصنيع المحفزات العصبية القابلة للزرع والأقطاب الكهربائية القابلة للزرع. 

وفي تصميم الأقطاب الكهربائية، تستفيد الشركة من خبرتها التي تزيد عن 30 عامًا في التصنيع أقطاب الاتصال البلاتينية عالية الجودةوأسلاك الرصاص وموصلات الرصاص متعددة الأقطاب. منطقة الخدمة التي يخدمها يشمل المشاريع البحثية والتجارب السريرية والأجهزة الطبية الموزعة تجاريًا. 

الشركة لديها عملية إنتاج مرنة، وتمكينها من ذلك تصنيع كميات صغيرة بالإضافة إلى كميات كبيرة الحجم بطريقة سريعة وفعالة من حيث التكلفة. بالإضافة إلى ذلك، تتواصل الشركة مع العديد من الأطباء والجامعات في المراحل المبكرة من التطوير والنماذج الأولية of الأجهزة الطبية الجديدة المحتملة.

إحدى الدراسات قامت الشركة بتمويلها مؤخرًا كان يهدف إلى تقييم جدوى وسلامة نهج التحفيز العصبي المؤقت الجديد القابل للإزالة والمزروع جراحيًا والذي يشمل الجزء البعيد من العصب الحجابي. للدراسة، قامت الشركة بتطوير تصميم خاص, قطب كهربائي مؤقت لتحفيز العصب الحجابي (tPNS). 

مثل هذا التعاون بين الشركات المتخصصة والتي تركز على الصناعة ومجموعة من الباحثين والأطباء المنتشرين في جميع أنحاء العالم يجعل مستقبل الإلكترونيات الداخلية يبدو مشرقًا وجاهزًا للازدهار. 

المسار المستقبلي للإلكترونيات الداخلية

وفقا لأحدث بحث منشور في يوليو 2024 في المجلة 'طبيعيه ', طور الباحثون قطبًا كهربائيًا قابلاً للزرع يعتمد على سبيكة Mg-Nd-Zn-Zr القابلة للامتصاص الحيوي والتي من شأنها أن تعمل بشكل جيد في تطبيق لحام الأنسجة بالترددات الراديوية (RF).

القطب متوقع لإسقاط الضرر الحراري وزيادة القوة المفاغرة. تم تصميمه بميزات هيكلية مختلفة للسطح الأسطواني (CS) والحلقة الطويلة المستمرة (LR) في منطقة اللحام، القطب المحاكاة الكهروحرارية تمت دراستها عن طريق تحليل العناصر المحدودة (FEA).

أظهرت النتائج أن متوسط ​​درجة الحرارة في منطقة اللحام ونسبة الأنسجة الميتة أصبحت أقل بشكل ملحوظ عند تطبيق تيار متردد 110 فولت لمدة 10 ثواني على القطب LR. يمكن أيضًا تقليل درجات الحرارة القصوى والمتوسط ​​للأنسجة الملحومة بواسطة قطب LR بشكل كبير في حين تحسنت القوة المفاغرة للأنسجة الملحومة.

Imec، مختبر تأسس عام 1984 لمساعدة وتمكين صناعة أشباه الموصلات من التوسع الوظيفي، حققت أيضًا بعض الاختراقات الرائدة في مجال الأجهزة المزروعة على نطاق النانو. وقد ساعد في تطوير غرسات طفيفة التوغل مناسبة للجيل القادم من الأطراف الاصطناعية اللمسية. إن النموذج الأولي للرقاقة القابلة للزرع والتي طورتها شركة Imec بالتعاون مع جامعة فلوريدا يمنح المرضى تحكمًا أكثر سهولة في الأطراف الاصطناعية لأذرعهم. أحد مكوناتها الرئيسية، شريحة السيليكون الرقيقة، هي العالم أولا لكثافة القطب و تم تطويره كجزء من مشروع IMPRESS الممول من داربا برنامج HAPTIX لإنشاء نظام حلقة مغلقة لتكنولوجيا الأطراف الاصطناعية اللمسية للجيل المستقبلي.

أحد المنشورات العلمية الخاصة بـ أهمية الإلكترونيات الحيوية القابلة للزرع القائمة على الكربون قدم ملاحظة حاسمة حول فائدة الإلكترونيات الداخلية. وعلى سبيل الاقتباس الحرفي، يلاحظ المنشور ما يلي:

"نظرًا لأن الإلكترونيات الحيوية القابلة للزرع يمكنها استشعار معلومات الجسم أو إثارة ردود فعل جسدية في الكائنات الحية من مواقع خارج الجسم، فقد أصبحت علاجات مفيدة وواعدة لمجموعة متنوعة من الأمراض".

فى المستقبل، ستلعب المواد الكربونية دورًا حاسمًا في تصنيع الإلكترونيات الطبية القابلة للزرع. وتشمل هذه المزايا الكربون مواد' التوافق الحيوي عالي الجودة، ومقاومة التعب، والجاذبية النوعية المنخفضة. وتستخدم هذه المواد في نطاق واسع من التطبيقات، بما في ذلك أجهزة توصيل الأدوية، وأجهزة الاستشعار الحيوية، والمحفزات العلاجية، وتخزين الطاقة. كل هذه الخصائص لها دور تلعبه في مجالات الجهاز العصبي، القلب والأوعية الدموية، الجهاز الهضمي، والحركي.

تستفيد المحركات القابلة للزرع، وأجهزة الاستشعار الحيوية، وأنظمة توصيل الأدوية، وإمدادات الطاقة - من التقدم في مجال الإلكترونيات الداخلية أو القابلة للزرع. وسيتطلب تحقيق المزيد من التقدم في هذا المجال نهجا أكثر تقاطعا يشمل الباحثين في العلوم البيولوجية، وعلماء المواد، والفيزيائيين في جميع أنحاء العالم.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التكنولوجيا الحيوية.