ساخت درگاه شارژ USB زیر پوست انسان؛ انقلابی در دنیای ایمپلنت‌های پزشکی

یکی از چالش‌های مهم در حوزه زیست‌الکترونیک، ایجاد روشی مطمئن برای تأمین انرژی ایمپلنت‌ها است؛ زیرا درگاه‌های دائمی روی پوست خطر عفونت‌های میکروبی را افزایش می‌دهند و سامانه‌های شارژ بی‌سیم نیز معمولاً به آنتن‌های بزرگ و حجیم نیاز دارند. فناوری جدید دانشگاه کالیفرنیا تلاش می‌کند این محدودیت‌ها را برطرف کند.
 

طراحی مبتنی بر ساختار اسفنجی

به گفته پژوهشگران، این درگاه به‌گونه‌ای طراحی شده که با انواع حسگرها، رابط‌های عصبی، محرک‌های الکتریکی و ایمپلنت‌های مجهز به باتری سازگار باشد و بتواند به‌عنوان یک رابط استاندارد برای تجهیزات پزشکی کاشتنی مورد استفاده قرار گیرد.

بخش اصلی این سامانه از یک ماده پلاستیکی نرم و اسفنجی تشکیل شده که منافذی با قطر حدود ۱۵۰ میکرومتر دارد؛ ابعادی که تقریباً با قطر یک سوزن بسیار ظریف برابری می‌کند.

محققان ابتدا این ساختار اسفنجی را در یک پلیمر با رسانایی بالا غوطه‌ور کردند تا دیواره منافذ با لایه‌ای به ضخامت ۱۰۰ تا ۲۰۰ نانومتر پوشانده شود. سپس یک لایه لاستیک سیلیکونی روی بخش بیرونی اعمال شد تا علاوه بر ایجاد عایق الکتریکی، از ساختار داخلی نیز محافظت کند. در نهایت، چندین لایه از این اسفنج‌های رسانا در کنار لایه‌های اسفنجی معمولی قرار گرفت و کل مجموعه با لاستیک سیلیکونی پوشانده شد.
 

شارژ و انتقال داده با سرعت بالا

«هیونگ جون شیم»، پژوهشگر فوق‌دکتری مهندسی برق دانشگاه کالیفرنیا، ایروین، توضیح داد که این درگاه در فاصله بین دفعات استفاده، کاملاً زیر پوست باقی می‌ماند و تنها زمانی که به شارژ، تعمیر یا تبادل داده نیاز باشد، سوزن وارد آن شده و پس از پایان عملیات خارج می‌شود.

در آزمایش‌هایی که روی موش‌ها و موش‌های صحرایی انجام شد، این درگاه با ایمپلنت‌های رابط عصبی جفت شد و توانست علاوه بر شارژ باتری، داده‌ها را نیز با سرعتی نزدیک به ۱۶ مگابیت بر ثانیه منتقل کند؛ رقمی که با حداکثر سرعت قابل پشتیبانی ایمپلنت‌های مورد استفاده در این آزمایش‌ها برابری می‌کند.

در آزمایش‌های جداگانه روی خوک‌ها نیز این سامانه به ایمپلنت‌های تحریک الکتریکی متصل شد و پالس‌های ۲۰ میکروآمپری با مدت‌زمان ۱۰۰ میلی‌ثانیه را در بازه‌های طولانی با موفقیت منتقل کرد.

همچنین بررسی‌ها نشان داد ساختار متخلخل این درگاه پس از بیش از ۱۰۰ بار ورود سوزن‌هایی با اندازه‌های مختلف (گیج ۱۸ تا ۳۰) همچنان در برابر ترک‌خوردگی مقاوم باقی مانده است.
 

گام بعدی؛ آزمایش روی انسان

نتایج آزمایش‌ها نشان داد این خروجی بیوالکترونیکی بیش از یک سال بدون ایجاد آسیب یا عارضه قابل مشاهده در بدن موش‌ها باقی مانده است.

«جنیفر گلیناس»، دانشیار اطفال، آناتومی و نوروبیولوژی دانشگاه کالیفرنیا، ایروین، تأکید کرد که ایمنی بلندمدت یکی از مهم‌ترین الزامات برای هر فناوری پزشکی قابل کاشت به شمار می‌رود.

به گفته او، از آنجا که حیوانات در زمان شارژ تحت بیهوشی قرار داشتند، استفاده از این فناوری در بیماران هوشیار نیازمند طراحی روشی مناسب برای تثبیت سوزن خواهد بود. وی پیشنهاد کرد از پانسمان‌ها یا نوارهای چسب پزشکی، مشابه آنچه در سوزن‌های وریدی استفاده می‌شود، برای ثابت نگه داشتن محل اتصال بهره گرفته شود.

پژوهشگران معتقدند عبور سوزن از پوست احتمالاً تنها ناراحتی مختصری، مشابه تزریق‌های معمولی، ایجاد خواهد کرد. با این حال، نسخه‌های آینده این فناوری می‌توانند از سوزن‌های باریک‌تر، بی‌حس‌کننده‌های موضعی یا پوشش‌های ویژه برای کاهش درد و التهاب استفاده کنند.

از آنجا که این سوزن نیازی به انتقال مایع ندارد، امکان طراحی آن با قطر کمتر از سوزن‌های رایج تزریق نیز وجود خواهد داشت.

محققان بر این باورند که این فناوری قرار نیست جایگزین کامل سامانه‌های شارژ بی‌سیم شود، بلکه می‌تواند در کنار آن‌ها برای شارژ سریع‌تر یا انتقال حجم بالای داده مورد استفاده قرار گیرد. البته تیم تحقیقاتی تأکید کرده است که پیش از آغاز آزمایش‌های بالینی روی انسان، باید موضوعاتی مانند میزان درد، احتمال بروز عفونت و واکنش بافت بدن در استفاده‌های مکرر به‌طور دقیق ارزیابی شود.