الإلكترونيات الداخلية – جسر الفجوة باستخدام الذهب

سوق الأجهزة الطبية القابلة للزرع ينمو بثبات، مدفوعًا بارتفاع الأمراض المزمنة وزيادة وعي المستهلكين. السرعة مدعومة بشكل جيد بالتقنية التقدم، مما يساعد على جعل هذه الأجهزة أكثر كفاءة، وراحة، ومنخفضة التكلفة. 

تشير الأرقام إلى أن السوق للأجهزة الطبية القابلة للزرع عالميًا سيقارب الضعف خلال عقد من الزمن، من 105.7 مليار دولار في 2023 إلى 207.0 مليار دولار في 2033. اليوم، سنبدأ بالنظر إلى واحدة من أكثر الابتكارات تحديدًا في هذا المجال في الآونة الأخيرة، والتي تعكس أيضًا المجال المزدهر حيث تتقاطع الفسيولوجيا الطبية مع الإلكترونيات الفعّالة. 

أسلاك الذهب النانوية والأقطاب الكهربائية الناعمة جاهزة للاتصال بالجهاز العصبي 

فريق من الباحثين في جامعة لينشوبينغ أنشأ أسلاك ذهب نانوية وطوّر أقطابًا كهربائية ناعمة يمكنها العمل بما يعادل الأعصاب البشرية في قابليتها للتمدد، والتوصيل الكهربائي، والمتانة داخل الجسم. 

يرى الباحثون والخبراء إمكانات هائلة في هذا الابتكار. للبدء، يفتح آفاقًا حيث قد يكون من الممكن استخدام الذهب في الواجهات الناعمة لربط الإلكترونيات بالنظام العصبي لأغراض طبية. 

إذا تم نشره بشكل صحيح، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تخفيف حالات معقدة مثل الصرع، مرض باركنسون، والشلل، وكذلك مشكلة شائعة مثل الألم المزمن. 

لفترة طويلة الآن، كان الباحثون حول العالم مهتمين بإنشاء أقطاب كهربائية ناعمة لا تضر الأنسجة. هذا الإنجاز الخاص من قبل باحثي جامعة لينشوبينغ ساعد على تحقيق ذلك من خلال إنشاء أسلاك ذهب نانوية كانت أضعف بألف مرة من الشعر ومضمّنة في مادة مرنة يمكن أن تعمل كأقطاب دقيقة ناعمة. 

كلاس تايبراند، أثناء توضيحه لتفرد البحث ونتائجه، قال ما يلي:

“لقد نجحنا في صنع مادة نانوية جديدة وأفضل من أسلاك الذهب النانوية بالتعاون مع مطاط سيليكون ناعم جدًا. إن جعلها تعمل معًا أدى إلى موصل ذو توصيلية كهربائية عالية، ناعم جدًا ومصنوع من مواد متوافقة حيويًا تعمل مع الجسم.”

إنشاء أسلاك الذهب النانوية: التحديات التي تم تجاوزها

إحدى الصعوبات الرئيسية التي واجهها الباحثون كانت تتعلق بإنتاج هياكل ذهبية نانوية طويلة وضيقة. وجد الباحثون طريقة فريدة لتجاوز هذا التحدي، وذلك باستخدام أسلاك فضة نانوية. موضحًا كيف يمكن تحقيق هذه الإنجاز الفريد، قال كلاس تايبراند ما يلي:

“نظرًا لأنه من الممكن صنع أسلاك فضة نانوية، نستفيد من ذلك ونستخدم سلك الفضة كقالب نزرع عليه الذهب. الخطوة التالية في العملية هي إزالة الفضة. بمجرد الانتهاء من ذلك، نحصل على مادة تحتوي على أكثر من 99 بالمئة من الذهب.”

في الأصل، لم يتمكن الباحثون من استخدام الفضة لأنها تتفاعل كيميائيًا، وتتبلى مع الوقت، وتعرض لخطر التحلل وتغير اللون. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون تركيزات عالية من الفضة سامة للجسم البشري. لذلك، اضطروا لتغطيتها بالذهب.

فيما يتعلق بالمادة التي طوروها ومتانتها، يعتقد الباحثون أن حلهم قد يدوم لمدة لا تقل عن ثلاث سنوات، متفوقًا على العديد من المواد النانوية التي تم تطويرها مسبقًا.

قريبًا، سيبدأ فريق البحث في العمل على تحسين المادة وإنشاء أنواع مختلفة من الأقطاب الكهربائية التي ستكون أصغر ويمكن وضعها على اتصال أقرب بالخلايا العصبية.

العالم المتنوع للزرعات

بينما تم الإشارة بالفعل إلى فائدة هذا البحث، هناك العديد من الزرعات الأخرى المتاحة في مجال التكنولوجيا الطبية. إنها تساعد على جعل التشخيص والعلاج أكثر اتساقًا، وتكلفة معقولة، وكفاءة. 

على سبيل المثال، طور العلماء في جامعة جورجيا للتقنية حساسًا قابلًا للزرع والارتداء يراقب شفاء تمددات الأوعية داخل أوعية الدماغ. نظرًا لأنه يعمل بدون بطاريات، يمكن لفّه حول الدعامات أو المبدلات التي تُزرع لتنظيم تدفق الدم.

تم إنشاء المستشعر باستخدام طباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية رذاذ الهواء، التي تضع آثارًا فضية موصلة على ركائز مرنة. يُدخل عبر قسطرة، ويستخدم الاقتران الحثي للإشارات للكشف اللاسلكي عن الديناميات الدموية للتمدد الدماغي الحيوي.

تشمل العملية ثلاث ملفات. يلتقط أحد الملفات الطاقة الكهرومغناطيسية المنقولة من ملف آخر خارج الجسم. مع تدفق الدم عبر الدعامه، يغيّر المستشعر المزروع سعته، مما يغيّر الإشارة المرسلة إلى الملف الخارجي الثالث.

في مثال آخر من عمل مماثل، طوّر مجموعة من المهندسين في جامعة تكساس إيه آند إم جهازًا يستخدم الجرافين ويحقن التيار المتردد في الجلد لمراقبة ضغط الدم.

تُسمى هذه الحساسات القابلة للالتصاق بـ “وشوم إلكترونية من الجرافين”، ويمكنها تتبع صحة القلب والأوعية الدموية عبر مراقبة مستمرة. يمكنها الاستمرار في العمل وجمع البيانات ذات الصلة حتى عندما يكون المريض نائمًا أو يمارس الرياضة أو يمر بظروف ضغط عالي.

يجرى أيضًا بحث لتحديد كيفية استغلال هذه الأجهزة القابلة للزرع للطاقة واستخدامها. على سبيل المثال، طوّر فريق من باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بطارية تستمد طاقتها من الجلوكوز. تبلغ سماكة البطارية الجديدة 400 نانومتر فقط، أي حوالي 1/100 من قطر شعر الإنسان. تولد حوالي 43 ميكروواط لكل سنتيمتر مربع من الكهرباء ويمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية.

استخدم الباحثون ركيزة سيراميك فائقة النحافة ومحلول جلوكوز لتزويد البطارية بالمرونة وجعلها مريحة للزرع داخل الجسم.

بينما يعمل الباحثون على ابتكار أكبر عدد ممكن من الحلول التقنية الجديدة والفريدة، تعمل بعض الشركات على توفير أجهزة زرعية فعّالة لتصبح متاحة على نطاق واسع. في الأقسام القادمة، سنستعرض بعضًا من هذه الحلول التجارية.

#1. CorTec

إحدى الشركات التي قدمت حلولًا رائدة باستمرار هي CorTec. شركة حاصلة على شهادة ISO 13485، تقوم CorTec بتطوير وتصنيع المنتجات والمكونات لتقنية تعديل الأعصاب والزرعات النشطة في مختبراتها الداخلية وبنيتها التحتية من الغرف النظيفة.

مجموعة CorTec المحمية ببراءة اختراع من أقطاب AirRay مفيدة للتحفيز وتسجيل أنسجة الجهاز العصبي، وتعمل كواجهات مثالية للجهاز العصبي للأجهزة الطبية.

على سبيل المثال، توفر أقطاب AirRay الكُفة واجهة كهربائية للجهاز العصبي الطرفي، بينما تم تصميم أقطاب الشبكة والشريط للتواصل مع الجهاز العصبي المركزي. تُستخدم أقطاب AirRay عبر الجلد للاستخدام تحت الجلد، وكذلك لتسجيل وتحفيز الحبل الشوكي. أخيرًا، توفر أقطاب AirRay اللوحية واجهة كهربائية للجهاز العصبي المركزي، مستهدفة بشكل خاص الحبل الشوكي.

بعيدًا عن هذه السلسلة، تشمل إحدى حلول CorTec المحمية ببراءة اختراع أقطابها القشرية. هذه هي أقطاب ECoG من CorTec للمراقبة العصبية الغازية. من خلال هذه الأقطاب، يمكن إجراء مراقبة الإشارات الكهربائية للدماغ، بما يتماشى مع متطلبات تحديد مواقع البؤر الصرعية أو رسم خرائط الدماغ. يمكن استخدام الأقطاب لمدة أقصاها 29 يومًا، ومن الممكن ربط ما مجموعه 64 قطبًا باستخدام كابلين فقط. اتصالات الأقطاب شبه غير ملموسة وتثبت بأمان مع المادة لمنع انفصالها عن السيليكون.

أحد أهم الجوانب في أقطاب CorTec القشرية هو أن إدارة الغذاء والدواء (FDA) وجدت أنها صالحة للموافقة وإطلاق السوق للمراقبة العصبية الغازية في الجهاز العصبي المركزي. تشمل مجموعة المنتجات جميع ترتيبات الاتصالات الممكنة من 1×4 إلى 8×8 أقطاب.

بعيدًا عن التمويل العام الكبير، قامت CorTec، وفقًا لإعلانها الرسمي، بجمع أربع جولات من التمويل. تشمل قائمة المستثمرين الحاليين Mangold Invest، M-Invest، Kfw، High-Tech Gründerfonds، Santo Venture Capital GmbH، LBBW Venture Capital، وK & S W Invest.

يشمل التمويل العام إعانات من وزارة التعليم والبحث الألمانية الفدرالية (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) والاتحاد الأوروبي.

#2. Atrotech

شركة أخرى قامت بأعمال متخصصة ولكنها تغير قواعد اللعبة في هذا المجال لعقود هي Atrotech. تأسست في عام 1984 وتقع في تكنوبوليس هيرميا، تامبيري، فنلندا، نشأت Atrotech نتيجة لأفكار منتجات متعددة التخصصات تجمع بين العلوم الطبية والهندسة الحيوية، مع تركيز رئيسي على مجال التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES). 

اثنان من المساهمات الرئيسية لـ Atrotech في هذا المجال تشمل تصميم وتصنيع المنبهات العصبية القابلة للزرع والأقطاب الكهربائية القابلة للزرع.

في تصميم الأقطاب، تستفيد الشركة من أكثر من 30 عامًا من الخبرة في تصنيع أقطاب اتصال بلاتينية عالية الجودة، وأسلاك رصاصية، ومقابس متعددة الأقطاب. تشمل منطقة الخدمة التي تخدمها مشاريع البحث، التجارب السريرية، والأجهزة الطبية الموزعة تجاريًا.

تمتلك الشركة عملية إنتاج مرنة، تمكنها من تصنيع كميات صغيرة وكذلك أحجام أكبر بسرعة وبطريقة فعّالة من حيث التكلفة. بالإضافة إلى ذلك، تتواصل الشركة مع عدة أطباء وجامعات في المراحل الأولية لتطوير ونمذجة أجهزة طبية جديدة محتملة.

أحد الدراسات التي مولتها الشركة مؤخرًا كان يهدف إلى تقييم جدوى وسلامة نهج تحفيز عصبي مؤقت جديد، قابل للإزالة، ومُزرع جراحيًا، يشمل الجزء البعيد من العصب الفريني. من أجل الدراسة، طورت الشركة قطبًا محفزًا للعرق الفريني (tPNS) مؤقتًا ومصممًا خصيصًا.

مثل هذا التعاون بين الشركات المتخصصة والشركات ذات التركيز الصناعي ومجموعة من الباحثين والأطباء المنتشرين حول العالم يجعل مستقبل الإلكترونيات الداخلية يبدو مشرقًا ومستعدًا للازدهار. 

المسار المستقبلي للإلكترونيات الداخلية

وفقًا لأبحاث حديثة نُشرت في يوليو 2024 في مجلة ‘Nature’، طور الباحثون قطبًا زرعيًا يعتمد على سبيكة Mg-Nd-Zn-Zr القابلة للامتصاص الحيوي والتي ستعمل بشكل جيد في تطبيق لحام الأنسجة بتردد راديوي (RF) من الجيل التالي.

من المتوقع أن يقلل القطب من الضرر الحراري ويزيد من قوة الوصل. صُمم مع ميزات هيكلية مختلفة للسطح الأسطواني (CS) والحلقة الطويلة المستمرة (LR) في منطقة اللحام، وتم دراسة محاكاة القطب الكهروحرارية باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA).

أظهرت النتائج أن متوسط درجة الحرارة في منطقة اللحام ونسبة النسيج النخري انخفضت بشكل ملحوظ عند تطبيق تيار متناوب بجهد 110 فولت لمدة 10 ثوانٍ على قطب LR. كما يمكن تقليل درجات الحرارة القصوى والمتوسطة للأنسجة الملحومة بقطب LR بشكل كبير، في حين تحسنت قوة الوصل للأنسجة الملحومة.

Imec، مختبر تأسس في عام 1984 لمساعدة وتمكين صناعة أشباه الموصلات من التوسع الوظيفي، حقق أيضًا بعض الاختراقات الرائدة في الزرعات النانوية. ساهم في تطوير زرعات قليلة التوغل مناسبة لأجهزة الأطراف الاصطناعية اللمسية من الجيل التالي. الشريحة القابلة للزرع النموذجية التي طورتها Imec بالتعاون مع جامعة فلوريدا تمنح المرضى تحكمًا أكثر بديهية في أطرافهم الاصطناعية. أحد مكوناتها الرئيسية، شريحة السيليكون الرقيقة، هي الأولى في العالم من حيث كثافة الأقطاب وتم تطويرها كجزء من مشروع IMPRESS الممول من برنامج HAPTIX التابع لـ DARPA لإنشاء نظام حلقة مغلقة لتقنية الأطراف الاصطناعية اللمسية للجيل المستقبلي.

إحدى المنشورات العلمية حول أهمية الإلكترونيات الحيوية القابلة للزرع القائمة على الكربون قدمت ملاحظة حاسمة حول فائدة الإلكترونيات الداخلية. للاقتباس حرفيًا، تلاحظ النشرة:

“نظرًا لأن الإلكترونيات الحيوية القابلة للزرع يمكنها استشعار معلومات الجسم أو إحداث ردود فعل جسدية في الكائنات الحية من مواقع خارج الجسم، فإنها تصبح حلولًا مفيدة وواعدة لمجموعة متنوعة من الأمراض.”

في المستقبل، ستلعب المواد الكربونية دورًا حاسمًا في تصنيع الإلكترونيات الطبية القابلة للزرع. تشمل هذه المزايا توافق الكربون الحيوي عالي الدرجة، ومقاومة التعب، وانخفاض الكثافة النوعية. تُستخدم هذه المواد في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أجهزة توصيل الأدوية، وأجهزة الاستشعار الحيوية، والمحرضات العلاجية، وتخزين الطاقة. جميع هذه الخصائص لها دور في مجالات الجهاز العصبي، والقلب والأوعية الدموية، والهضمي، وأنظمة الحركة.

المحركات القابلة للزرع، وأجهزة الاستشعار الحيوية، وأنظمة توصيل الأدوية، ومصادر الطاقة—جميعها تستفيد من التقدم في مجال الإلكترونيات الداخلية أو القابلة للزرع. سيتطلب التقدم المستقبلي في هذا المجال نهجًا أكثر تقاطعًا يضم باحثي العلوم الحيوية، وعلماء المواد، والفيزيائيين حول العالم.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التكنولوجيا الحيوية.