29 أكتوبر 2023 (أضواء Nanowerk) أحدثت الأجهزة الطبية القابلة للزرع مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة الاستشعار الحيوية ثورة في علاج العديد من الحالات المنهكة، مما أدى إلى تحسين نوعية الحياة للملايين. ومع ذلك، فإن البطاريات غير الكافية التي تزود هذه الأجهزة بالطاقة تظل عائقًا رئيسيًا، مما يحد من تحقيق المزيد من التقدم. تعتمد أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة الاستشعار الحيوية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الموجودة في الجسم اليوم بشكل كبير على الليثيوم التقليدي أو البطاريات المماثلة. لكن هذه البطاريات ذات كثافة طاقة منخفضة، مما يعني أنها إما تتطلب شحنًا متكررًا أو استبدالها عن طريق عملية جراحية، أو يجب أن تكون الغرسات ضخمة الحجم لاستيعاب البطاريات الأكبر حجمًا. لا يعد أي من هذين الأمرين مثاليًا - فالعمليات المتكررة تزيد من المخاطر والمضاعفات بالنسبة للمرضى، في حين أن الأجهزة الكبيرة يمكن أن تسبب عدم الراحة وتحد من مواقع الزرع. بالإضافة إلى ذلك، تثير الإلكتروليتات والأقطاب الكهربائية السامة مخاوف من التسرب الضار إلى الجسم بمرور الوقت. إن أوجه القصور هذه في البطاريات التي تعمل على تشغيل الأجهزة الطبية المزروعة تعيق تطوير أجهزة أصغر حجمًا وأكثر ذكاءً وأكثر قدرة. الإبلاغ عن النتائج التي توصلوا إليها في المواد المتقدمة ("بطارية حيوية من المغنيسيوم والأكسجين مستوحاة من الميتوكوندريا
مع كثافة طاقة عالية في الجسم الحي") ، طور العلماء بطارية حيوية جديدة مستوحاة من الميتوكوندريا المولدة للطاقة داخل الخلايا والتي يمكن أن توفر الدعم الذي تحتاجه الغرسات الطبية.
رسم تخطيطي وتوصيف هيكلي لـ MOB-DM المستوحى من الميتوكوندريا. أ) رسم تخطيطي لهيكل ووظيفة الميتوكوندريا، والتي تستخدم بكفاءة O2 لتوليد الطاقة الكيميائية من خلال هيكل الغشاء المزدوج الفريد والنفاذية. ب) ينتج MOB-DM، المستوحى من الميتوكوندريا، طاقة كهربائية مستقرة لتشغيل الأنظمة الإلكترونية في الجسم الحي. الغشاء الداخلي لـ MOB-DM أقل نفاذية لـ H2O وبالتالي يمنع تآكل الأنود Mg، في حين أن الغشاء الخارجي ذو نفاذية عالية لـ O2 ومتوافقة مع البيئة البيولوجية. ج) رسم تخطيطي يوضح هيكل MOB-DM وتكوين الأغشية الداخلية والخارجية. د) صورة SEM مقطعية لـ MOB-DM، والتي تُظهر أنود Mg، والغشاء الداخلي (باللون البرتقالي)، وكهارل هلام PVA، وكاثود CNT/Pt المعدل بالغشاء الخارجي (باللون الأحمر) من الداخل إلى الخارج. شريط النطاق: 30 ميكرومتر. (أعيد طبعه بإذن من Wiley-VCH Verlag) بحثًا عن بديل عالي الطاقة ومتوافق حيويًا، تحول الباحثون في جامعة نانجينغ إلى مراكز الطاقة داخل خلايانا. تقوم الميتوكوندريا بتسخير الأكسجين بكفاءة بفضل بنية الغشاء المزدوج. يسمح الغشاء الخارجي المسامي بدخول الأكسجين، بينما يحمي الغشاء الداخلي الأقل نفاذية الأجزاء الداخلية المنتجة للطاقة.
صمم الفريق بطارية حيوية ذات غشاء مزدوج مماثل يغلف المكونات الرئيسية. يتكون الأنود من المغنيسيوم المتوافق حيويا. يوجد إلكتروليت هيدروجيل بين هذا الكاثود المصنوع من أنابيب الكربون النانوية المطلية بالبلاتين لتحفيز تفاعلات الأكسجين.
يعمل طلاء الغشاء الداخلي الجديد من البوليمر والسيليكا الكاره للماء على حماية أنود المغنيسيوم من التآكل بواسطة الماء. وأظهرت الاختبارات أنه قلل من معدل تآكل الأنود بحوالي عشرة أضعاف. ويضمن الحاجز المقاوم للماء أداءً مستقرًا بغض النظر عن حجم البطارية أو الرطوبة المحيطة.
يتكون الغشاء الخارجي للبطارية الحيوية من طبقة فوسفورية معدلة. مستوحى من أغشية الخلايا، وهذا يقاوم الحشف الحيوي بينما يسمح للأكسجين بالمرور من خلاله. وأكدت التجارب أن الطلاء يمنع بروتينات الدم الشائعة من الالتصاق مقارنة بالمواد غير المطلية. وهذا يعزز الأداء على المدى الطويل في السوائل البيولوجية.
حققت البطارية الحيوية المستوحاة من الميتوكوندريا، والتي تم زرعها في الفئران، كثافة طاقة ملحوظة تبلغ 2517 واط/ساعة لكل لتر بناءً على إجمالي حجم الجهاز. وهذا أعلى بحوالي 2.5 مرة من بطاريات الليثيوم التجارية للأجهزة الطبية. تعمل البطارية الحيوية أيضًا على تشغيل عمليات زرع الأعضاء بشكل ثابت في بيئات الأنسجة المختلفة مثل العضلات أو الدماغ.
ووجدت التحليلات أن عملية تفريغ البطارية لا تؤثر بشكل كبير على مستويات الأكسجين أو العلامات البيولوجية الأخرى في الجسم. وأظهرت الاختبارات أيضًا توافقًا حيويًا ممتازًا، مع عدم وجود تفاعلات مناعية مفرطة من الأنسجة المحيطة. وهذا يؤكد ملاءمة الغشاء الخارجي للتكامل الحيوي.
ولإثبات التطبيق في العالم الحقيقي، قام الباحثون بدمج البطارية الحيوية الخاصة بهم في تحفيز الدماغ المصغر وأجهزة مراقبة المعدة التي تم زرعها بنجاح في الفئران. تتيح كثافة الطاقة العالية في عامل الشكل المتوافق حيويًا إمكانية إجراء مثل هذه الغرسات المستقلة التي لم تكن ممكنة من قبل.
يلبي التصميم المحاكاة الحيوية الجديد الاحتياجات الأساسية للإلكترونيات الطبية - تخزين الطاقة العالية والتوافق البيولوجي. يوفر هذا البحث نموذجًا لتطوير جيل جديد من البطاريات الحيوية المصممة لتشغيل الأجهزة المتقدمة داخل الجسم.
By
مايكل
بيرجر
مع كثافة طاقة عالية في الجسم الحي") ، طور العلماء بطارية حيوية جديدة مستوحاة من الميتوكوندريا المولدة للطاقة داخل الخلايا والتي يمكن أن توفر الدعم الذي تحتاجه الغرسات الطبية.
رسم تخطيطي وتوصيف هيكلي لـ MOB-DM المستوحى من الميتوكوندريا. أ) رسم تخطيطي لهيكل ووظيفة الميتوكوندريا، والتي تستخدم بكفاءة O2 لتوليد الطاقة الكيميائية من خلال هيكل الغشاء المزدوج الفريد والنفاذية. ب) ينتج MOB-DM، المستوحى من الميتوكوندريا، طاقة كهربائية مستقرة لتشغيل الأنظمة الإلكترونية في الجسم الحي. الغشاء الداخلي لـ MOB-DM أقل نفاذية لـ H2O وبالتالي يمنع تآكل الأنود Mg، في حين أن الغشاء الخارجي ذو نفاذية عالية لـ O2 ومتوافقة مع البيئة البيولوجية. ج) رسم تخطيطي يوضح هيكل MOB-DM وتكوين الأغشية الداخلية والخارجية. د) صورة SEM مقطعية لـ MOB-DM، والتي تُظهر أنود Mg، والغشاء الداخلي (باللون البرتقالي)، وكهارل هلام PVA، وكاثود CNT/Pt المعدل بالغشاء الخارجي (باللون الأحمر) من الداخل إلى الخارج. شريط النطاق: 30 ميكرومتر. (أعيد طبعه بإذن من Wiley-VCH Verlag) بحثًا عن بديل عالي الطاقة ومتوافق حيويًا، تحول الباحثون في جامعة نانجينغ إلى مراكز الطاقة داخل خلايانا. تقوم الميتوكوندريا بتسخير الأكسجين بكفاءة بفضل بنية الغشاء المزدوج. يسمح الغشاء الخارجي المسامي بدخول الأكسجين، بينما يحمي الغشاء الداخلي الأقل نفاذية الأجزاء الداخلية المنتجة للطاقة.
صمم الفريق بطارية حيوية ذات غشاء مزدوج مماثل يغلف المكونات الرئيسية. يتكون الأنود من المغنيسيوم المتوافق حيويا. يوجد إلكتروليت هيدروجيل بين هذا الكاثود المصنوع من أنابيب الكربون النانوية المطلية بالبلاتين لتحفيز تفاعلات الأكسجين.
يعمل طلاء الغشاء الداخلي الجديد من البوليمر والسيليكا الكاره للماء على حماية أنود المغنيسيوم من التآكل بواسطة الماء. وأظهرت الاختبارات أنه قلل من معدل تآكل الأنود بحوالي عشرة أضعاف. ويضمن الحاجز المقاوم للماء أداءً مستقرًا بغض النظر عن حجم البطارية أو الرطوبة المحيطة.
يتكون الغشاء الخارجي للبطارية الحيوية من طبقة فوسفورية معدلة. مستوحى من أغشية الخلايا، وهذا يقاوم الحشف الحيوي بينما يسمح للأكسجين بالمرور من خلاله. وأكدت التجارب أن الطلاء يمنع بروتينات الدم الشائعة من الالتصاق مقارنة بالمواد غير المطلية. وهذا يعزز الأداء على المدى الطويل في السوائل البيولوجية.
حققت البطارية الحيوية المستوحاة من الميتوكوندريا، والتي تم زرعها في الفئران، كثافة طاقة ملحوظة تبلغ 2517 واط/ساعة لكل لتر بناءً على إجمالي حجم الجهاز. وهذا أعلى بحوالي 2.5 مرة من بطاريات الليثيوم التجارية للأجهزة الطبية. تعمل البطارية الحيوية أيضًا على تشغيل عمليات زرع الأعضاء بشكل ثابت في بيئات الأنسجة المختلفة مثل العضلات أو الدماغ.
ووجدت التحليلات أن عملية تفريغ البطارية لا تؤثر بشكل كبير على مستويات الأكسجين أو العلامات البيولوجية الأخرى في الجسم. وأظهرت الاختبارات أيضًا توافقًا حيويًا ممتازًا، مع عدم وجود تفاعلات مناعية مفرطة من الأنسجة المحيطة. وهذا يؤكد ملاءمة الغشاء الخارجي للتكامل الحيوي.
ولإثبات التطبيق في العالم الحقيقي، قام الباحثون بدمج البطارية الحيوية الخاصة بهم في تحفيز الدماغ المصغر وأجهزة مراقبة المعدة التي تم زرعها بنجاح في الفئران. تتيح كثافة الطاقة العالية في عامل الشكل المتوافق حيويًا إمكانية إجراء مثل هذه الغرسات المستقلة التي لم تكن ممكنة من قبل.
يلبي التصميم المحاكاة الحيوية الجديد الاحتياجات الأساسية للإلكترونيات الطبية - تخزين الطاقة العالية والتوافق البيولوجي. يوفر هذا البحث نموذجًا لتطوير جيل جديد من البطاريات الحيوية المصممة لتشغيل الأجهزة المتقدمة داخل الجسم.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63958.php
