استفاده از حسگر های میکروالکترونیکی در بافت بدن برای ذخیره انرژی - وبلاگ ماشین

به گزارش وبلاگ ماشین، محققان پیروز به ساخت یک حسگر میکروالکترونیکی شدند که قابلیت به کارگیری در بافت بدن را داشته و می تواند باعث ذخیره انرژی گردد.

به گزارش خبرنگار به نقل از nanowerk، هر چند حوزه کوچک سازی فناوری حسگر های میکروالکترونیکی، روبات های میکروالکترونیکی یا ایمپلنت های داخل به سرعت در حال رشد است، اما چالش های بزرگی را هم برای تحقیقات ایجاد می نماید. توسعه دستگاه های ذخیره انرژی بسیار کوچک از جمله حوزه های چالش برانگیز است. دستگاه های ذخیره انرژی بسیار کوچک در منطقه ها کوچکتر و بیشتر بدن انسان عملکرد میکروسیستم های اتوماتیک را فعال می نماید که در صورت استفاده در بدن این دستگاه ها باید سازگار با محیط زیست باشند که در حال حاضر یک نمونه اولیه وجود دارد که این ویژگی های ضروری را ترکیب می نماید. این پیشرفت و تحقیقات به وسیله یک تیم تحقیقاتی بین المللی به سرپرستی پروفسور الیور اشمیت، استاد سیستم های مواد برای نانوالکترونیک در دانشگاه صنعتی کمنیتز، اجرا شده است.

آرایه ای از 90 خازن نانوساختار زیستی لوله ای (nBSCs) بر روی نوک انگشت قرار می گیرد که عملکرد اتوماتیک حسگر ها در خون را فعال می سازد؛ بعلاوه در مسئله فعلی ارتباطات طبیعت نانو زیستی، خازن ها عملکرد سنسور autarkic را در خون فعال می نمایند، محققان در خصوص کوچکترین خازن ها تا به امروز گزارش می دهند، که قبلا در رگ های خونی (مصنوعی) عمل نموده، بنابراین می توانند به اسم منبع انرژی برای سیستم حسگر کوچک برای میزان گیری pH مورد استفاده قرار گیرند.

این سیستم ذخیره سازی، امکاناتی را برای ایمپلنت های داخل عروقی و سیستم های میکرو روباتیک برای زیست پزشکی نسل بعدی ایجاد می نماید که می توانند در فضا های کوچک و در دسترس در عمق بدن انسان به سختی کار نمایند، به اسم مثال تشخیص زمان واقعی pH خون می تواند به پیش بینی رشد اولیه تومور یاری کند. پروفسور الیور اشمیت، سرپرست گروه تحقیقاتی مشاهده انعطاف پذیر و سازگاری میکروالکترونیک های تازه و بعلاوه سازگاری و ورود آن ها به دنیای کوچک سیستم های بیولوژیکی را بسیار امیدوارنماینده می داند .ساخت نمونه ها و آنالیز خازن زیستی تا حد زیادی در مرکز تحقیقات MAIN در دانشگاه فناوری کمنیتز اجرا شده است.

دکتر Vineeth Kumar، محقق این مطالعه معتقد است معماری ابرخازن های نانو زیست خالص اولین راه چاره بالقوه را برای یکی از بزرگترین چالش ها که شامل دستگاه های ذخیره انرژی کوچک یکپارچه که عملکرد خودکفا سیستم های میکروسیستم چند منظوره می گردد، ارائه می دهد.

معمولا این ابرخازن ها از مواد زیست سازگار استفاده نمی نمایند بلکه از الکترولیت های خورنده بهره می برند و در صورت بروز نقص و آلودگی سریع خود را تخلیه می نمایند که هر دو جنبه آن ها را برای کاربرد های پزشکی در بدن نامناسب می نماید. به اصطلاح راه چاره هایی را که خازن های زیستی ارائه می دهند دارای دو خاصیت برجسته است.

سازگاری زیستی یکی از این خاصیت هاست، به این معنی که می توان آن ها را در مایعات بدن مانند خون استفاده و برای مطالعات پزشکی بیشتر استفاده کرد. علاوه بر آن، خازن های زیستی می توانند رفتار تخلیه خود را به وسیله واکنش های الکتروشیمیایی زیستی جبران نمایند. با این کار آن ها حتی از واکنش های خود بدن هم سود می برند. علاوه بر واکنش های معمولی ذخیره سازی یک ابرخازن، واکنش های آنزیمی ردوکس و سلول های زنده موجود در خون عملکرد دستگاه را تا 40 درصد افزایش می دهد. در حال حاضر کوچکترین چنین دستگاه های ذخیره سازی انرژی از 3 میلی متر مکعب بزرگتر هستند.

فناوری ساختار اوریگامی

فناوری ساختار اوریگامی شامل قرار دادن مواد مورد احتیاج برای اجزای nBSC بر روی سطح نازک ویفر تحت کشش مکانیکی بالاست. هنگامی که لایه های مواد متعاقبا به صورت کنترل شده از سطح جدا می شوند، انرژی کرنش آزاد می گردد و لایه های خود را با دقت و عملکرد بالا (95 ٪) به دستگاه های فشرده سه بعدی تبدیل می نمایند. خازن های نانو زیستی فراوری شده در این روش در سه محلول به نام الکترولیت سالین، پلاسمای خون آزمایش شدند. در هر سه الکترولیت، ذخیره انرژی به میزان کافی، اما با بازدهی متفاوت پیروز بوده است. در خون خازن نانو زیستی عمر بسیار خوبی از خود نشان داده و 70 درصد از ظرفیت اولیه خود را حتی پس از 16 ساعت حفظ نموده و از جدا نماینده تبادل پروتون (PES) برای سرکوب تخلیه سریع خود استفاده شده است.

ثبات عملکرد حتی در شرایط واقعی

به منظور حفظ عملکرد های طبیعی بدن در شرایط مختلف، ویژگی های جریان خون و فشار در رگ ها در حال تغییر مداوم است. جریان خون ضربان دارد و بسته به قطر رگ و فشار خون فرق دارد. هر سیستم قابل کاشت در سیستم گردش خون باید در برابر این شرایط فیزیولوژیکی مقاومت نموده و عملکرد پایدار را حفظ کند. این تیم تحقیقاتی عملکرد توسعه خود را شبیه به تونل باد در کانال های به اصطلاح میکروسیالی با قطر 120 تا 150 میکرومتر (0.12 تا 0.15 میلی متر) مورد مطالعه قرار دادند تا از عروق خونی در میزان های مختلف تقلید نمایند.

در این کانال ها، محققان رفتار دستگاه های ذخیره انرژی خود را در شرایط مختلف جریان و فشار شبیه سازی و آزمایش نموده و دریافتند خازن های نانو زیستی می توانند تحت شرایط فیزیولوژیکی مناسب، قدرت خود را به خوبی و پایدار تامین نمایند و بعلاوه فناوری حسگر مستقل می تواند از تشخیص تومور پشتیبانی کند. پتانسیل هیدروژن (pH) خون در معرض نوسان است، به اسم مثال میزان گیری مداوم pH می تواند به تشخیص زود هنگام تومور ها یاری کند به همین علت محققان یک سنسور pH ایجاد کردند که به وسیله خازن نانو زیستی با انرژی تامین می گردد.

فناوری ترانزیستور فیلم نازک 5 میکرومتر (TFT) می تواند برای توسعه یک نوسان ساز حلقه ای با انعطاف پذیری مکانیکی فوق العاده، با قدرت کم (nW تا µWW) و فرکانس های بالا (تا 100 مگاهرتز) مورد استفاده قرار گیرد. برای پروژه فعلی تیم از نوسان ساز حلقه ای 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 هم با استفاده از تکنیک Swiss-roll Origami به شکل هندسی لوله ای 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 اسم یک کانال برای پلاسمای خون عمل می نماید. علاوه بر این سه nBSC که به صورت سری با سنسور متصل شده اند، میزان گیری pH بسیار کارآمد و خودکفا را امکان پذیر می نماید. این ویژگی ها طیف وسیعی از کاربرد های احتمالی را برای تشخیص و دارو باز می نمایند.