استخدام سكر الدم لتزويد الأجهزة الطبية المزروعة بالكهرباء

اكتشف فريق من الباحثين مصدرا جديدا للطاقة في الجسم البشري، يمكن الاعتماد عليه لتزويد الأجهزة "النانوية" الطبية بالكهرباء.

وتعتمد التقنية الجديدة على سكر الغلوكوز، لتزويد الأجهزة المزروعة في الجسم والمستشعرات الإلكترونية بالطاقة، والغلوكوز هو السكر الذي نمتصه من الطعام، وهو الوقود الذي يمد خلايا أجسامنا بالطاقة.

وصمم المهندسون من معهد "ماساتشوستس" الأمريكي للتقنية والجامعة التقنية في ميونيخ الألمانية، نوعا جديدا من الخلايا التي تحول سكر الغلوكوز مباشرة إلى طاقة كهربائية.

ويصغر الجهاز في الحجم عن الخلايا المقترحة مسبقا، بما يبلغ 400 نانومتر في السماكة، أي جزء في المئة من شعرة الإنسان، وتولد الخلية نحو 43 ميكرو واط من الكهرباء للسنتيمتر المربع، محققة أعلى استطاعة للطاقة بين الخلايا المشابهة.

ويمتاز الجهاز أيضا بمقاومته العالية للحرارة، بما يصل لنحو 600 درجة مئوية، وفي حال استخدامه في زراعة الأجهزة الطبية، فإن هذا التحمل العالي للحرارة يبقيه مستقرا خلال عمليات التعقيم عالية الحرارة للأجهزة المزروعة.

وصُنعت نواة الجهاز من السيراميك الذي يحافظ على خواصه الإلكتروكيميائية في درجات الحرارة العالية والقياسات الدقيقة.

ويرى الباحثون أن التصميم الجديد للجهاز فائق الرقة يسمح باستخدامه كغلاف للأجهزة المزروعة، ما يزودها بالطاقة الكهربائية من خلال امتصاص السكريات من الجسم.

وقال الباحث فيليب سيمونز الذي طور الجهاز كجزء من أطروحته لنيل درجة الدكتوراه، إن "سكر الغلوكوز ينتشر في أنحاء الجسم، ويعمل الجهاز على استخدامه مصدرا متوفرا للطاقة"، وفقا لموقع سايتك ديلي.

من جانبها، قالت الأستاذة الدكتورة جينيفر روب المشرفة على المشروع من جامعة ميونيخ "عوضا عن استخدام البطارية التي تشغل 90% من حجم الجهاز المزروع، يمكن استخدام الجهاز الجديد دون إهدار مساحة مهمة".

وأشار الباحثون في دراستهم المنشورة في مجلة أدفانسد ماتيريالز العلمية، إلى أن التقنية الجديدة قادرة على تحويل السكر إلى طاقة بشكل مباشر دون الحاجة إلى تخزينها".

ويعتمد التصميم الأساس للخلايا على ثلاث طبقات، قطب علوي موجب يحول سكر الجسم إلى أسيد غلوكوزي مطلقا زوجين من البروتونات والإلكترونات، ووسط كهربائي يفصل البروتونات عن الإلكترونات، ويمرر زوج الإلكترونات إلى قطب سالب سفلي، ونتيجة لذلك يتولد تيار كهربائي، في حين ترتبط البروتونات بالهواء مشكلة الماء الذي يتخلص منه الجسم.

وحاول الفريق تحسين التصميم من خلال تعديل طبقة الوسط الكهربائي المصنوع عادة من البوليميرات، التي لا تتحمل درجات الحرارة العالية ولا يمكن تصغيرها إلى مقاييس نانومترية؛ ما دفعهم إلى استخدام السيراميك المقاوم للحرارة والموصل للبروتونات كوسط كهربائي في الخلايا، بمقاومة عالية وقابلية للتحكم بقياسه ودمجه مع رقاقات السيليكون.

واستخدم الفريق قطبين (موجبا وسالبا) من مادة البلاتينيوم المستقرة والتي تتفاعل مباشرة مع الغلوكوز، وصنعوا 150 خلية على الرقاقة تبلغ سماكتها 400 نانومتر، وعرضها 300 مايكرومتر.

كما دمجوا الخلايا مع شرائح السيليكون، لإثبات إمكانية استخدامها مع مواد نصف ناقلة، ثم قاسوا التوتر الكهربائي عند تمرير سيل من الغلوكوز المنحل على الشرائح.

ووجد الباحثون أن معظم الخلايا تولد توترا كهربائيا بمقدار 80 ميللي فولط، وهي أعلى استطاعة كهربائية لخلايا الوقود الغلوكوزي، ليكفي التيار الكهربائي المتولد من تشغيل أي جهاز مرزوع في الجسم.