نوآوری زیست سازگار: الکترودهای نرم، قابل چاپ و بدون فلز MIT برای ایمپلنت های نسل بعدی

یک جستجوی تصویری برای «ایمپلنت‌های الکترونیکی» انجام دهید، و مجموعه وسیعی از دستگاه‌ها، از ضربان‌سازهای سنتی و کاشت حلزون گوش گرفته تا ریزتراشه‌های آینده‌نگر مغز و شبکیه با هدف تقویت بینایی، درمان افسردگی و بازگرداندن تحرک را خواهید دید.

مهندسان MIT یک هیدروژل پلیمری نرم و رسانا ساخته اند که می تواند به عنوان یک الکترود قابل کاشت زیست سازگار و بدون فلز عمل کند. این ماده، که می تواند به جوهر قابل چاپ تبدیل شود، ممکن است در انواع کاربردهای پزشکی مانند ضربان سازها و محرک های عمقی مغز استفاده شود. در آزمایش‌های اولیه حیوانی برای حفظ پایداری و انتقال موثر پالس‌های الکتریکی، با التهاب و زخم کمتر در مقایسه با الکترودهای فلزی سنتی، نویدبخش است.

یک ماده جدید شبیه Jell-O می تواند جایگزین فلزات به عنوان رابط الکتریکی برای ضربان ساز، کاشت حلزون و سایر ایمپلنت های الکترونیکی شود.

ایمپلنت ها سخت و حجیم

برخی از ایمپلنت ها سخت و حجیم هستند، در حالی که برخی دیگر انعطاف پذیر و نازک هستند. اما بدون توجه به شکل و عملکرد آنها، تقریباً همه ایمپلنت‌ها دارای الکترود هستند .. عناصر رسانای کوچکی که مستقیماً به بافت‌های هدف متصل می‌شوند تا ماهیچه‌ها و اعصاب را تحریک الکتریکی کنند.

ایمپلنت‌های الکترونیکی قابل کاشت عمدتاً از فلزات صلب ساخته می شوند که طبیعتاً رسانای الکتریکی هستند. اما با گذشت زمان، فلزات می‌توانند بافت‌ها را تشدید کنند و باعث ایجاد زخم و التهاب شوند که به نوبه خود می‌تواند عملکرد ایمپلنت را کاهش دهد.

اکنون، مهندسان MIT ماده‌ای بدون فلز و شبیه به Jell-O ساخته‌اند که به نرمی و سختی بافت‌های بیولوژیکی است و می‌تواند جریان الکتریکی را مانند فلزات معمولی هدایت کند. این ماده را می توان به یک جوهر قابل چاپ تبدیل کرد که محققان آن را به شکل الکترودهای انعطاف پذیر لاستیکی الگوبرداری کردند. این ماده جدید که نوعی هیدروژل پلیمری رسانا با کارایی بالا است، ممکن است روزی جایگزین فلزات به عنوان الکترودهای کاربردی و مبتنی بر ژل با ظاهر و احساس بافت بیولوژیکی شود.

الکترودهای فلزی

ژوانه ژائو می افزاید: «ما معتقدیم که برای اولین بار، یک الکترود سخت، مستحکم و شبیه Jell-O داریم که به طور بالقوه می تواند جایگزین فلز برای تحریک اعصاب و ارتباط با قلب، مغز و سایر اندام های بدن شود. استاد مهندسی مکانیک و مهندسی عمران و محیط زیست در MIT.

ژائو، یوک و دیگران در MIT و جاهای دیگر نتایج خود را در Nature Materials گزارش می دهند. نویسندگان همکار این مطالعه عبارتند از نویسنده اول و فوق دکترای سابق MIT تائو ژو، که اکنون استادیار دانشگاه ایالتی پن است و همکارانش در دانشگاه عادی علم و فناوری جیانگشی و دانشگاه جیائو تونگ شانگهای.

یک چالش واقعی

اکثریت قریب به اتفاق پلیمرها ذاتاً عایق هستند، به این معنی که الکتریسیته به راحتی از آنها عبور نمی کند. اما دسته کوچک و ویژه ای از پلیمرها وجود دارد که در واقع می توانند الکترون ها را از توده خود عبور دهند.

اخیراً، محققان از جمله کسانی که در آزمایشگاه ژائو هستند سعی کرده‌اند از پلیمرهای رسانا برای ساخت الکترودهای نرم و بدون فلز برای استفاده در ایمپلنت‌های الکترونیکی و سایر وسایل پزشکی استفاده کنند. هدف از این تلاش‌ها ساخت فیلم‌ها و لکه‌های نرم و در عین حال سخت و رسانای الکتریکی… عمدتاً با مخلوط کردن ذرات پلیمرهای رسانا با هیدروژل – نوعی پلیمر نرم و اسفنجی غنی از آب است.

زیست سازگار

محققان امیدوار بودند که ترکیب پلیمر رسانا و هیدروژل بتواند یک ژل انعطاف پذیر، زیست سازگار و رسانای الکتریکی تولید کند. اما مواد ساخته شده تا به امروز یا خیلی ضعیف و شکننده بودند یا عملکرد الکتریکی ضعیفی از خود نشان دادند.

یوک می گوید: «در مواد ژل، خواص الکتریکی و مکانیکی همیشه با یکدیگر مبارزه می کنند. اگر خواص الکتریکی ژل را بهبود ببخشید، باید خواص مکانیکی را قربانی کنید و بالعکس. اما در واقعیت، ما به هر دو نیاز داریم: یک ماده باید رسانا باشد و همچنین کشش و محکم باشد.

پلیمرهای رسانا با هیدروژل‌ها

در مطالعه جدید ایمپلنت‌های الکترونیکی… یوک و همکارانش دریافتند که به دستور العمل جدیدی برای مخلوط کردن پلیمرهای رسانا با هیدروژل‌ها نیاز دارند، به گونه‌ای که خواص الکتریکی و مکانیکی اجزای مربوطه را افزایش دهد.

یوک می‌گوید: «مردم قبلاً به اختلاط تصادفی و همگن این دو ماده متکی بودند.

چنین مخلوط هایی ژل های ساخته شده از ذرات پلیمری پراکنده تصادفی را تولید کردند. این گروه دریافتند که برای حفظ استحکام الکتریکی و مکانیکی پلیمر رسانا و هیدروژل به ترتیب، هر دو ماده باید به گونه‌ای مخلوط شوند که کمی دفع شوند… حالتی که به عنوان جداسازی فاز شناخته می‌شود.

هیدروژل خالص

ژو، نویسنده اول، می‌گوید: «از آنجایی که این ژل قابل چاپ سه بعدی است، می‌توانیم هندسه‌ها و اشکال را سفارشی کنیم، که ساخت رابط‌های الکتریکی را برای انواع اندام‌ها آسان می‌کند.»

محققان سپس الکترودهای چاپی شبیه Jell-O را روی قلب، عصب سیاتیک و نخاع موش‌ها کاشتند. این تیم عملکرد الکتریکی و مکانیکی الکترودها را در حیوانات تا دو ماه آزمایش کردند و دریافتند که دستگاه‌ها در تمام طول مدت ثابت باقی می‌مانند و التهاب یا زخم کمی در بافت‌های اطراف ایجاد می‌کنند. الکترودها همچنین قادر بودند پالس های الکتریکی را از قلب به یک مانیتور خارجی منتقل کنند و همچنین پالس های کوچکی را به عصب سیاتیک و نخاع ارسال کنند که به نوبه خود باعث تحریک فعالیت حرکتی در عضلات و اندام های مرتبط می شود.

در ادامه… Yuk تصور می کند که یک برنامه فوری برای مواد جدید ممکن است برای افرادی باشد که پس از جراحی قلب بهبود می یابند.

الکترودهای فلزی

یوک می گوید: «این بیماران به چند هفته حمایت الکتریکی نیاز دارند تا از حمله قلبی به عنوان یک عارضه جانبی جراحی جلوگیری کنند. بنابراین، پزشکان یک الکترود فلزی را روی سطح قلب بخیه می زنند و آن را طی هفته ها تحریک می کنند.

این تیم در تلاش است تا طول عمر و عملکرد مواد را افزایش دهد. سپس، ژل می تواند به عنوان یک رابط الکتریکی نرم بین اندام ها و ایمپلنت های طولانی مدت… از جمله ضربان سازها و محرک های عمقی مغز استفاده شود.

ژائو می‌گوید: «هدف گروه ما جایگزینی شیشه… سرامیک و فلز در داخل بدنه با چیزی شبیه Jell-O است… تا خوش‌خیم‌تر باشد اما عملکرد بهتری داشته باشد و بتواند برای مدت طولانی دوام بیاورد. “این امید ماست.”

برای دیدن محصولات بیشتر میتوانید به سایت اینترنتی YASASTORE مراجعه فرمایید.