ساخت ایمپلنت‌های زیست‌الکترونیکی بدون سیم

 با سود بردن از کوچک‌سازی توسط نانوفناوری، زیست الکترونیک‌ یک زمینه تحقیقاتی جدید و رو به رشد می‌شود که به همگرایی زیست‌فناوری و الکترونیک منجر می‌شود. ماحصل این همگرایی کاربرد مواد و فرایندهای زیستی در الکترونیک؛ و استفاده از ابزارهای الکترونیکی در سیستم‌های زنده خواهد شد.

ابزارهای زیست‌الکترونیک قابل‌کاشت بدون سیم که توسط محرک‌های مختلف فعال می‌ شوند، پالس‌های الکتریکی برای کنترل دقیق مدارهای عصبی بدن فراهم می‌سازند. اگرچه فعال سازی بدون سیم و دست‌کاری از راه دور همچنان یک چالش اساسی برای استفاده کاربردی این ابزارها می‌باشند، اما به تازگی نمونه‌های جدیدی به بازار معرفی شده است که از آن جمله می‌توان به ایمپلنت‌های شبکیه و حلزون گوش، تحریک‌کننده‌های مغز و غیره اشاره کرد.

 

محققان چینی استفاده از پرتوهای مادون قرمز (nIR) را به عنوان یک منبع نیرو برای فعال‌سازی ایمپلنت‌های بدون سیم پیشنهاد دادند. پالس‌های نوری سریع و زودگذر، که توسط ابزار جذب می‌شوند، سبب تحریک نوسان دمایی و بنابراین منجر به ایجاد پالس‌های ولتاژ/جریان می‌شود که می‌توان از آنها برای شارژ کردن یک باتری یا تحریک‌های زیستی استفاده کرد.

 

پروفسور لیو و دکتر ژیانگ در دانشگاه جیاتونگ می‌گویند : «در مقایسه با نیروی انتقال یافته توسط جفت‌شدن الکترومغناطیسی، نور مادون قرمز نزدیک با طول‌موج 760-1500 نانومتر ( که به دلیل خاصیت گرمادهی و اثرات درمانی پزشکی شناخته شده می‌باشد) یک منبع بدون سیم جایگزین می‌باشد که می‌تواند تا 4-10 سانتیمتر به درون بافت‌های بدن نفوذ کند.»

 

نتایج این تحقیقات در مجله Advanced Functional Materials چاپ شده است.

 

این تیم تحقیقاتی با الهام گرفتن از اثر فوتودرمانی nIR، یک ابزار قابل‌کاشت بدون باتری که به صورت بدون‌سیم کنترل می‌شود را ساختند.
جیانگ می‌گوید: «منبع نیروی کوچک که نیاز به باتری ندارد، برای کاربرد در زیست الکترونیک بسیار جذاب است. علاوه بر مشکلاتی نظیر مداخله‌های ابزارهای زیست‌الکترونیکی در بدن، انعطاف‌پذیری این ابزارها و قابل کنترل بودن محرک‌ها از بزرگترین چالش‌های پیش‌رو محققان است.»

 

دکتر لیو می‌گوید:« این ابزار منعطف و فشرده هنگامی‌که با nIR تحت تابش قرار می‌گیرد، پالس‌های الکتریکی با قدرت قابل کنترل تولید می‌کند. با استفاده از nIR همچنین می‌توان پالس‌های الکتریکی قابل تنظیم برای تحریک‌های عصبی فراهم ساخت.» 

 

در تحریک عصبی، تعدیل کردن تکانه‌ها که از طریق عصب‌های تحریک‌شده جریان می‌یابند، بسیار حائز اهمیت است. محققان این پروژه معتقداند که سیستم‌های تولید نیرو تحریک شده با nIR در مقایسه با سیستم‌های تولید نیرو تحریک شده با جفت‌شدن الکترومغناطیسی نه تنها انتقال انرژی دور-میدان را تشخیص می‌دهند بلکه از یک سیستم بدون فلز ساخته می‌شوند که یک مزیت بسیار بزرگ برای کاربردهای مطالعه درجا(in vivo) هستند.
این سیستم تولید نیروی از راه دور از PVDF ( یک پلیمر ویژه از خانواده فلوروپلیمرها) به عنوان یک ماده پلی‌الکتریک و گرافن به عنوان الکترد تشکیل شده است.

 

جیانگ می‌گوید:« PVDF وزن اندکی دارد، زیست‌سازگار بوده و از لحاظ مکانیکی انعطاف‌پذیر است. این خصوصیات برای ابزارهای انعطاف‌پذیر و قابل‌کاشت بسیار مهم است. علاوه‌براین جذب شدیدتابش مادون قرمز توسط PVDF، باعث شده است تا این ماده برای سیستم‌های بدون‌سیم تحریک شده با nIR بسیار مناسب باشد.»

 

گرافن به دلیل هدایت الکتریکی و گرمایی بسیار عالی، مساحت سطحی بالا، انعطاف‌پذیری مناسب در سالهای اخیر توجهات بسیار زیادی را به خود جلب کرده است. در حالیکه گرافن به صورت ذاتی دارای جذب اندک مادون قرمز است، دارای شفافیت 7/97 درصدی در طول موج‌های مرئی و حتی شفافیت بیشتر در مادون قرمز می‌باشد.

 

به گزارش سایت فناوری های همگرا (NBIC) هر سلول ایمپلنت از یک ساندویچ گرافن-PVDF-گرافن (ترکیب شفافیت بالای گرافن و جذب بالای مادون قرمز PVDF) تشکیل شده است. این آرایش در حالیکه سبب کاهش دمای ابزار برای جلوگیری از تخریب بافت‌های نرمال می‌شود سبب تقویت خصوصیات الکتریکی نیز می‌گردد.
این محققان برای نشان دادن کارایی سیستم، ابزار را برروی یک عصب استاتیک قورباغه و قلب موش امتحان کردند.