مواد و ساخت پیشرفته

برای تامین انرژی ایمپلنت­های پزشکی مبتنی بر تراشه نسل بعدی، منابع انرژی باید کوچک و همیشگی باشند.

امروزه انرژی، به ویژه در مواردی که شامل سوخت­های فسیلی یا انتشار کربن نیست، چالش بزرگی در سراسر دنیا ایجاد کرده است. این معضل شامل تامین انرژی دستگاه‌ها و تراشه‌های پزشکی ایمپلنت با اندازه کوچک‌تر است که تقاضا برای آنها رو به افزایش است. ایمپلنت­ها در حال حاضر با باتری‌های حجیم تغذیه می‌شوند که در نهایت برای تعویض نیاز به جراحی دارند. سلول‌های سوختی با انرژی گلوکز راه‌حل جالبی هستند، اما محدودیت‌هایی نیز دارند.

اخیرا محققان طرح پیل سوختی به اندازه کافی کوچک روی تراشه سیلیکونی را به منظور تامین انواع حسگرها و وسایل پزشکی ارائه داده­اند. برای این هدف نیاز به ماده­ای بسیار نازک حدود 250 نانومتری می­باشد که خواص الکتریکی خود را حفظ کند. به گفته این محققان برای دست­یابی به این ماده بسیار نازک نمی­توان از پلیمر استفاده کرد. زیرا در این صورت در شرایط کشش پلاستیک ماده بسیار نازک تر می­شود و ویژگی‌های عملکردی خود را در این مقیاس‌های طولی از دست می دهد. محققان برای غلبه بر این امر به سرامیک روی آوردند. اکثر مردم سرامیک را به عنوان یک ماده ساختمانی تصور می کنند، اما در واقع این نوع از ماده در بیشتر باتری‌ها و انواع دستگاه‌های الکترونیکی یافت می‌شوند. سرامیک_­ها در صنعت الکترونیک مفید هستند زیرا می­توانند خواص الکتریکی مختلفی مانند نیمه­رسانا یا ابررسانا داشته باشند. برای تحقیقات ذکر شده، توانایی حفظ خواص الکتریکی در عرض­های بسیار نازک بسیار مهم بود. در این تحقیق از مواد در مقیاس نانو (400 نانومتر) سرامیکی استفاده شده است. این اولین طراح برای پیل سوختی با استفاده از سرامیک است که گام مهمی برای تامین انرژی دستگاه­های پزشکی مبتنی بر تراشه است. محققان این پروژه می­گویند: "قرار دادن آن بر روی یک تراشه سیلیکونی بسیار مهم است، زیرا حسگرها یا چیزهای دیگری وجود دارد که می‌خواهید در بدن انسان استفاده کنید، اما همه آنها نیاز به انرژی دارند". در نهایت توانستند 30 عدد از این سلول ها را بر روی یک تراشه قرار دهد و این کوچکترین منبع انرژی تا به امروز است که به طور بالقوه می­تواند در بدن استفاده شود. نکته مهم نیز این است که سرامیک­ها به طور باورنکردنی در برابر حرارت مقاوم هستند، به این معنی که می­توانند در برابر دمای شدید مورد نیاز برای استریل کردن ایمپلنت مقاومت کنند.

آزمایش طراحی استفاده از این فرایند در بدن موجود زنده، مرحله بعدی توسعه است و اتفاقاتی که رخ خواهد داد واقعاً جالب خواهد بود و باعث ایجاد چالش‌های دیگری می‌شود. محققان این پروژه معتقدند که دستگاه هنوز هم قابل بهبود است و برخی از طراحی‌های دستگاه جایگزین برای افزایش بیشتر تراکم انرژی نیز مورد توجه می­باشد.

منبع:

https://www.advancedsciencenews.com/miniature-fuel-cells-for-implantable-medical-devices/