الملخص:
طوّر باحثون في جامعة ماساتشوستس أمهيرست جهازًا شبكيًا إلكترونيًا مرنًا ورقيقًا للغاية، يتكامل مع خلايا عضلة القلب البشرية الحية ويحول الحركة الميكانيكية الناتجة عن تقلص الخلايا إلى طاقة كهربائية. ومن المتوقع أن يوفر هذا الجهاز الجديد، المسمى "Biohybrid Mesh Harvester"، طريقة جديدة لتزويد الطاقة للأجهزة الطبية المزروعة منخفضة الطاقة مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، ومعدات مراقبة القلب، والمحفزات العصبية، مما يقلل من الحجم والوزن ومشاكل جراحة الاستبدال التي تسببها البطاريات التقليدية.
تم نشر نتيجة البحث هذه في مجلة "Science Advances" بتاريخ 7 أكتوبر 2026، وقد جذبت مؤخرًا اهتمام وسائل الإعلام التكنولوجية. ويقول الباحثون إن كثافة الطاقة الفعالة للنظام الجديد أعلى بعشر مرات من أجهزة حصاد الطاقة المركزية التقليدية. ومع ذلك، فإن النتائج الحالية لا تزال في مرحلة البحث المختبري ولم يتم التحقق منها في الحيوانات الحية أو البشر، كما لم يثبت أنها تقود بشكل مستقل جهاز زرع طبي فعلي.
تلعب المعدات الإلكترونية الطبية الحديثة دورًا متزايد الأهمية في تحسين نوعية حياة المرضى. تتطلب زراعة القوقعة الصناعية والمحفزات العصبية وزراعة القلب وبعض أجهزة إدارة مرض السكري مصدر طاقة ثابتًا ومستقرًا. تعتمد الأجهزة القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية والخواتم الذكية أيضًا على البطاريات لتشغيلها. على الرغم من أن البطاريات ناضجة وموثوقة، إلا أن هناك تناقضًا بين الحجم والوزن وسعة تخزين الطاقة: فتقليص البطارية يمكن أن يجعل الجهاز أرق وأخف وزنًا، ولكن الطاقة المخزنة ستنخفض أيضًا.
تعد مشكلات البطارية حادة بشكل خاص بالنسبة للأجهزة الطبية المزروعة في جسم الإنسان. بعد نفاد طاقة الساعة الذكية العادية، يمكن استئناف تشغيلها بمجرد وضعها على الشاحن؛ ومع ذلك، إذا كانت هناك حاجة إلى استبدال بطارية بعض الأجهزة الطبية المزروعة، فقد يضطر المريض إلى الخضوع لعملية جراحية مرة أخرى، مما يحمل تكاليف ومخاطر طبية إضافية. ولذلك، كان العلماء يستكشفون طرقًا لاستخدام طاقة الجسم لتشغيل الأجهزة الإلكترونية.
هناك العديد من مصادر الطاقة المتوفرة داخل جسم الإنسان. على سبيل المثال، يمكن استخدام الفرق في درجة الحرارة بين الجسم والعالم الخارجي لتوليد الكهرباء الحرارية، في حين أن تقلص العضلات ونبض القلب وحركات التنفس يمكن أن توفر طاقة ميكانيكية. يمكن للمواد الكهرضغطية تحويل التشوه الميكانيكي الناتج عند ضغطها أو تمديدها إلى شحنات كهربائية، وبالتالي تعتبر طريقًا تكنولوجيًا محتملاً لتشغيل الأجهزة الإلكترونية القابلة للزرع.
ومع ذلك، يتم عادةً تركيب أجهزة حصاد الطاقة الكهرضغطية التقليدية كأجهزة قائمة بذاتها على أسطح الأنسجة. قد تكون هناك اختلافات ميكانيكية كبيرة بين هذه التصاميم المركزية والأنسجة البشرية: فالإلكترونيات صلبة نسبيًا، في حين أن الأنسجة البيولوجية مثل عضلة القلب تكون ناعمة وتتحرك باستمرار. قد لا يؤدي عدم التطابق الميكانيكي بين الاثنين إلى الحد من كفاءة جمع الطاقة فحسب، بل قد يزيد أيضًا من صعوبة التصميم عندما يكون الجهاز على اتصال طويل الأمد بالأنسجة.
وبالتالي قام فريق البحث في جامعة ماساتشوستس بتغيير فكرة التصميم. بدلاً من تثبيت جهاز كبير لتوليد الطاقة على سطح الأنسجة، يتم تشتيت العديد من وحدات توليد الطاقة الصغيرة وترتيبها في هيكل شبكي مرن، مما يسمح للخلايا الحية بالنمو داخل وحول الجهاز الإلكتروني، بحيث يشكل الاثنان مزيجًا هيكليًا أقرب.
أعد الباحثون أولاً عددًا كبيرًا من الهياكل الشريطية الصغيرة المصنوعة من تيتانات زركونات الرصاص (PZT). هذه مادة خزفية كهروضغطية شائعة الاستخدام في أجهزة الاستشعار والمحركات التي تولد شحنة كهربائية عند تشوهها ميكانيكيًا. قام الفريق بعد ذلك بدمج هذه الوحدات الكهرضغطية الصغيرة في طبقة من شبكة بوليمر مرنة ورفيعة للغاية لتشكيل شبكة مترابطة لحصاد الطاقة.
على عكس الركيزة المستمرة والمغلقة، يترك هيكل الشبكة الكثير من المساحة المفتوحة، مما يسمح للخلايا الحية بالمرور والنمو داخل الجهاز. زرع الباحثون خلايا عضلية قلبية بشرية على هذه المنصة. ومع نمو الخلايا تدريجيًا، شكلت مجموعات الخلايا مزيجًا محكمًا مع هيكل الشبكة. يتحرك الهيكل الحيوي الهجين الناتج مع أنسجة عضلة القلب ويشوه المادة الكهرضغطية المدمجة أثناء انقباض الخلايا.
عندما تنقبض الخلايا العضلية القلبية، يتم ضغط أو تمديد هياكل شريط PZT الموزعة في جميع أنحاء الشبكة، وبالتالي توليد الطاقة الكهربائية من خلال التأثير الكهرضغطي. ونظرًا لأن وحدات توليد الطاقة لم تعد مركزة في مكان واحد على سطح الأنسجة، بل تم توزيعها في جميع أنحاء الشبكة، فإن النظام قادر على حصد الطاقة الميكانيكية من منطقة اتصال أوسع بين الخلايا والهياكل الإلكترونية.
يعتقد فريق البحث أن هذه البنية الموزعة هي أهم ابتكارات هذه التكنولوجيا. تعتمد الأجهزة التقليدية عادةً على مجمع طاقة مركز نسبيًا، بينما تدمج الحلول الجديدة العديد من الوحدات الدقيقة في هياكل الأنسجة البيولوجية، مما يسمح للأجهزة الإلكترونية بالاقتراب من الخلايا مع الحفاظ على مرونة كافية.
تظهر النتائج التجريبية أن كثافة الطاقة الفعالة للنظام الجديد تتجاوز عشرة أضعاف كثافة حلول حصاد الطاقة المركزية الحالية. المقياس الرئيسي هنا هو كثافة الطاقة الفعالة، وهو مستوى الطاقة التي يمكن حصادها ضمن الحجم الفعال الذي يشغله الجهاز. ويعتقد الباحثون أن هذا التحسن يأتي من الاقتران الميكانيكي الوثيق بين وحدات توليد الطاقة الدقيقة المتعددة والأنسجة الخلوية، بدلاً من الاعتماد ببساطة على زيادة حجم الجهاز.
هناك ميزة محتملة أخرى تتمثل في إمكانية توسيع الهيكل. نظرًا لأن الفيلم الشبكي خفيف جدًا ورقيق، فقد اقترح الباحثون أنه يمكن تكديس طبقات متعددة من الشبكة لزيادة العدد الإجمالي لوحدات توليد الطاقة، وبالتالي زيادة قدرة توليد الطاقة الإجمالية مع محاولة تجنب زيادة كبيرة في حجم الجهاز. وفي المستقبل، قد يتمكن المهندسون من ضبط عدد طبقات الشبكة وتوزيع وحدات توليد الطاقة بناءً على احتياجات استهلاك الطاقة لمختلف الأجهزة المزروعة.
إن التطبيق المحتمل الأكثر إلحاحا لهذه التكنولوجيا هو توفير الطاقة المساعدة لأجهزة تنظيم ضربات القلب، وأنظمة مراقبة القلب، والمحفزات العصبية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الحيوية منخفضة الطاقة. إن القدرة على حصد الطاقة بشكل مستمر وموثوق من الحركة الطبيعية للقلب أو الأنسجة الأخرى ستتيح الفرصة لتمديد وقت تشغيل الأجهزة المزروعة، وتقليل تكرار استبدال البطارية، وتقليل حاجة المرضى للخضوع لإعادة العملية.
قد توفر التكنولوجيا أيضًا أفكارًا تصميمية جديدة لأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء. قد تقلل الأجهزة الإلكترونية المرنة المستقبلية من اعتمادها على البطاريات التقليدية إذا تمكنت من الاندماج بشكل أوثق مع الأنسجة البشرية واستخدام حركة الجسم للحصول على بعض من قوتها. ومع ذلك، لا تزال هذه التطبيقات مفاهيم بحثية ولم تصل بعد إلى المرحلة التي يمكن استخدامها مباشرة في المنتجات السريرية.
وقال ياو جون، كبير مؤلفي الورقة البحثية والأستاذ المشارك في كلية الهندسة بجامعة ماساتشوستس أمهيرست، إن الأنسجة البشرية قد ترفض الأجهزة الإلكترونية الأكبر حجمًا والتي لها خصائص ميكانيكية غير متطابقة. ومن المتوقع أن يؤدي جعل الجهاز قريبًا من المقياس الخلوي إلى تحسين توافقه مع الأنسجة البيولوجية. وهو يعتقد أن إمكانات مثل هذه الأنظمة تكمن في تمكين التكامل الإلكتروني الحيوي الأكثر إحكامًا في الهياكل الأصغر.
ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من المشكلات الرئيسية التي تحتاج إلى حل باستخدام هذه التقنية. أولاً، تم إجراء الدراسة الحالية فقط على أنسجة عضلة القلب المزروعة في المختبر، ولم يثبت الباحثون أنها يمكن أن تعمل على المدى الطويل في بيئة معيشية. ثانيًا، طاقة الخرج الفعلية، سواء كانت قادرة على تلبية متطلبات استهلاك الطاقة لمختلف الأجهزة المزروعة بشكل ثابت، وما إذا كانت الحركة الميكانيكية طويلة المدى ستتسبب في إرهاق المواد أو تدهور الأداء، كلها بحاجة إلى مزيد من الاختبار.
تشكل سلامة المواد أيضًا تحديًا مهمًا. يحتوي تيتانات زركونات الرصاص المستخدمة في الجهاز على الرصاص. إذا تم استخدامه داخل جسم الإنسان، فيجب التأكد من أن المادة مغلفة بشكل موثوق لتجنب تسرب المواد الضارة والتأثير على الأنسجة المحيطة. سيحتاج الباحثون أيضًا إلى تقييم التوافق الحيوي على المدى الطويل، والاستجابة المناعية، ومتانة التغليف، واستقرار الجهاز في البيئات الفسيولوجية الحقيقية.
لذا فإن ما يسمى بزيادة كثافة الطاقة بأكثر من عشرة أضعاف لا يعني أن هذا الجهاز يمكنه استبدال بطارية المعدات الطبية المزروعة بالكامل، كما لا يعني أن جميع المعدات ذات الصلة يمكن أن تعمل على الفور دون شحن. إن التحسن النسبي في الأداء في التجربة ليس سوى دليل أولي على إمكانات التكنولوجيا. ويعتمد أيضًا إمكانية استخدامه في نهاية المطاف في التجارب السريرية على طاقة الإنتاج الفعلية والسلامة والموثوقية على المدى الطويل.
بشكل عام، تكمن أهمية هذا البحث في تحويل جامعات الطاقة من أجهزة مستقلة متصلة بسطح الأنسجة البيولوجية إلى شبكة إلكترونية موزعة يمكنها أن تنمو مع الخلايا الحية وتتحرك مع الأنسجة. ويقدم حلولاً هندسية جديدة لإقامة اتصال أوثق بين طاقة حركة الإنسان والأجهزة الإلكترونية. إذا تمكنت أبحاث المتابعة من معالجة قضايا مثل سلامة المواد والاستقرار على المدى الطويل وقدرات إمدادات الطاقة الفعلية، فمن المتوقع أن تصبح هذه الشبكة الحيوية الهجينة اتجاهًا تقنيًا مهمًا للجيل القادم من الأجهزة الطبية القابلة للزرع منخفضة الطاقة.
التعليقات