منبع انرژی جدید برای ابزارهای کاشتنی داخل بدن: قند

در تصویر یک قرص سیلیکونی حاوی سلول هایی با اندازه های مختلف می بینید که در آنها گلوکز سوخته می شود. بزرگترین سلول ۶۴ در ۶۴ میلی متر است.

محققان دانشگاه ام آی تی (بله! باز هم MIT) یک سلول سوختی ساخته اند که از همان قندی استفاده می کند که سایر سلول های بدن استفاده می کنند: قند گلوکز. این سلول سوخت گلوکز، می تواند در ایمپلنت (ابزار کاشتنی) های مغزی، به عنوان منبع انرژی به کار رود. ایمپلنت (implant) های مغزی ابزارهایی برای کمک به بیماران ناتوان و حرکت دست ها و پاهای آنها هستند. تامین انرژی ایمپلنت ها یکی از مشکلات اصلی آنها است که فعلا توسط باتری های قابل تعویض تامین می شود، این سلول سوختی می تواند آینده آنها را تحت تاثیر قرار دهد.

آن گونه که در مجله PLoS ONE در ۱۲ ژوئن امسال (دو روز پیش) توصیف شده است. در وهله اول، این سلول های سوختی می توانند از مولکول های گلوکز جریان الکتریکی کوچکی تولید کنند. در مرحله دوم این محققان با مدیریت Rahul Sarpeshkar، پروفسور مهندسی الکتریکی و علوم کامپیوتر دانشگاه ام آی تی موفق شدند که این سلول های سوختی را روی یک چیپ سیلیکونی سوار کرده و مدارهای آن را با مدارهای ایمپلنت های مغزی یکپارچه کنند.

ایده استفاده از گلوکز برای تامین انرژی ابزارهای داخل بدن، ایده تازه ای نیست. در سال های ۱۹۷۰ دانشمندان توانستند که با استفاده از قند گلوکز، انرژی یک ضربان ساز را تامین کنند. اما این ایده با ورود باتری های انقلابی لیتیومی منسوخ شد. این باتری ها انرژی بسیار بیشتری را نسبت به واحدهای سوخت گلوکزی تامین می کردند. علاوه بر این واحدهای سوخت گلوکزی آن زمان از آنزیم هایی استفاده می کردند که بعدا ثابت شد ممکن است ناگهان از کار بیافتند و برای استفاده طولانی مدت مناسب نیستند.

سلول های جدید ام آی تی که در PLoS ONE توصیف شده اند، از جنس سیلیکون بوده و از همان تکنولوژی چیپ های الکترونیکی نیمه رسانا استفاده می کنند. در آنها هیچ گونه فعالیت بیولوژیکی رخ نمی دهد، بلکه واکنش های پلاتینوم الکترون را از گلوکز می گیرد. این روش از نظر ساختاری مشابه بدن اما از نظر روش اجرا کاملا متفاوت است. در بدن آنزیم های مختلف ابتدا گلوکز را می شکنند و در حین این کار ATP (واحد انرژی در بدن) تولید می شود. (سازگاری طویل المدت پلاتینوم با بدن انسان ثابت شده است.) بنابراین، این سلول های سوختی می توانند یه عنوان یک منبع دائمی، چند صد میکرووات برق تولید کنند که برای ایمپلنت های (نیازمند انرژی کم) مغزی کافی است.

Benjamin Rapoport، دانشجوی فارغ التحصیل آزمایشگاه Sarpeshkar و مدیر تحقیق جدید ام آی تی می گوید، اهمیت این کار در چند سال آینده مشخص می شود، زمانی که شما مردم مبتلا آسیب نخاعی را ببینید که با کار گذاشتن این امپلنت ها و رعایت یکسری نکات پزشکی خاص، راه بروند. ایمپلنت هایی که انرژی خود را از قند تامین کرده و نیازی به نگه داری دائمی ندارند.

آقای راپوپورت معتقد است که قند موجود در مایع مغزی نخاعی برای تامین انرژی کافی خواهد بود. مایع مغزی نخاعی، مایعی با حجم بسیار کم در اطراف مغز و نخاع است که آن ها را در برابر ضربه و تصادم به جمجمه و ستون مهره ها حفظ می کند. سلول های بسیار کمی در این مایع وجود دارند. بنابراین احتمال بسیار کمی وجود دارد که امپلنت های موجود در این مایع، واکنش ایمنی بدن را تحریک کنند. از طرف دیگر مقدار قند نسبتا زیادی در این مایع وجود دارد که بدن نیازی به آن ندارد (این قند به طور خود به خودی همراه با آب از جدار رگ ها نشت می کند). پس قرار گیری این ایمپلنت های کوچک مغزی نباید مشکلی برای هیچ چیز به وجود آورد.

Karim Oweiss، استادیار مهندسی الکتریکی، علوم کامپیوتر و نوروساینس در دانشگاه ایالت میشیگان می گوید، این کار یک حرکت خوب و رو به جلو در خلق بهتر ابزارهای پزشکی قابل کاشت در بدن است. آنها دیگر نیازی به منابع تامین برق خارجی ندارند.

آقای اویس می گوید، به نظر می رسد آنها انرژی مورد نیاز را تامین کرده اند. مرحله بعدی امتحان این ابزارها در حیوانات زنده است.

یک تیم از محققان دانشگاه برون، بیمارستان عمومی ماساچوست و چند انستیتو دیگر، به تازگی نشان دادند که بیماران فلج با استفاده از یک ایمپلنت مغزی و یک بازوی روباتیک قادر به انجام بعضی کارها می شوند. روش جدید تامین انرژی ایمپلنت های مغزی به این تکنولوژی کمک شایانی می کند.

تقلید واکنش های بیولوژیک توسط واکنش های میکروالکترونیکی

گروه سرپشکار (Sarpeshkar) یکی از پیشگامان صنعت ابزارهای الکترونیکی با مصرف انرژی بسیار کم (ultra-low-power electronics)، ساخت ایمپلنت هایی برای حلزون گوش (شنوایی) و مغز است. سرپشکار می گوید «زمانی که سلول سوخت گلوکز با ابزارهای با مصرف انرژی کم ترکیب شوند، ایمپلنت هایی بدون نیاز به هرگونه انرژی خارجی تولید می شوند.» وی که نویسنده کتاب Ultra Low Power Bioelectronics نیز هست در مورد کتاب می گوید، این کتاب توضیح می دهد که چگونه ابزارهای کم مصرف (ultra-low-power) را با طرح های تولید انرژی پیوند بزنیم و ابزارهایی تولید کنیم که خودشان انرژی خودشان را تامین کنند.

گروه سرپشکار روی تمامی زوایای ایمپلنت ها و ابزارهای مصنوعی مغزی، شامل ابزارهای ثبت اطلاعات و تحریکات نورون ها (سلول های مغز)، ترجمه سیگنال های عصبی و ایمپلنت های با قابلیت برقراری تماس وایرلس کار کرده اند. این ابزارها می توانند فعالیت الکتریکی صدها نورون قشر خاکستری حرکتی مغز را - که حرکات را کنترل می کند - ثبت کنند. سپس این اطلاعات تقویت شده و به سیگنال های دیجیتالی تبدیل و به کامپیوتر (یا در تیم سرپشکار میکروچیپ هایی که در مغز کاشته می شوند) فرستاده می شوند، که اطلاعات را آنالیز و حرکت (دست یا پای) مورد نظر مغز را تشخیص می دهد.

ساخت سلول سوختی گلوکز با همکاری Jakub Kedzierski از آزمایشگاه لینکلن ام آی تی ساخته شد. سرپشکار می گوید «همکاری با لینکلن آرزوی دیرینه مرا - برای ساخت ابزارهای با برق گلوکزی - به واقعیت بدل کرد.» از طرف دیگر، همه می دانیم که این یک شروع برای آوردن این تکنولوژی ها به بازار مصرف است. وی می گوید هنوز سال های زیادی تا تکنولوژی نهایی فاصله داریم.