تلفیق تجهیزات الکترونیکی و تارهای ابریشم

نسل جدید تجهیزات الکترونیکی گامی تازه برای رسیدن به یک آرزوی دیرینه برمی‌دارد: تلفیق تجهیزات الکترونیکی با اندام‌های انسانی. برای تحقق این آرزوی قدیمی، ابریشم که در قرن‌های گذشته ویژگی‌های خاص آن به بشر ثابت شده است، به عنوان ابزاری مطمئن در نظر گرفته شده است؛ به طوری که گروهی از محققان بر آن شده‌اند تا با تلفیق تجهیزات الکترونیکی با تارهای ابریشمی، نسل تازه‌ای از تجهیزات و ساختارهای الکترونیکی را ارائه کنند؛ تجهیزاتی که به نظر می‌رسد تا کاربردی شدن سال‌های طولانی فاصله داشته باشند.

بتازگی گروهی از محققان با ساخت تجهیزات الکترونیکی سیلیکونی قابل انعطاف و باریک روی رشته‌های ابریشمی، موفق به ارائه تجهیزات فوق مدرنی شده‌اند که تقریبا می‌توان گفت در بدن حل می‌شوند! این فناوری نوین گرچه حیرت‌انگیز و در نوع خود بی‌سابقه است، اما تا رسیدن به مرحله‌ای که بتوان از آن به عنوان دستاوردی کاربردی یاد کرد فاصله زیادی دارد. با این حال، از هم اکنون می‌توان روزی را متصور شد که در بدن بیماران ابزار الکترونیکی حساسی کار گذاشته می‌شود که پس از پایان مأموریت از پیش تعریف شده، نیازی به جراحی برای خارج ساختن آن نیست و بتدریج در بدن حل می‌شوند!

تاکنون این گروه تحقیقاتی آرایه‌هایی ترانزیستوری طراحی کرده‌اند که روی فیلم‌های باریکی از ابریشم جای می‌گیرند. در حالی که تجهیزات الکترونیکی باید برای دور ماندن از آسیب هنگام قرار گرفتن در بدن افراد با استفاده از مواد و پوشش‌های خاصی لفافه‌پیچی شوند، این ایده جدید چنین مرحله‌ای را حذف کرده و نه‌تنها در هزینه‌های نهایی صرفه‌جویی قابل توجهی انجام می‌شود، استفاده و نصب تجهیزات الکترونیکی دقیق در بدن را نیز به مراتب ساده‌تر از گذشته می‌کند. مبنای این ایده جدید و کاربردی شدن آن در آینده تنها به خاصیت حیرت‌انگیز سازگاری ابریشم با بافت‌های زیستی است.

بررسی‌های اولیه دانشمندان نشان می‌دهد که رشته‌های ابریشم در گذر زمان ذوب شده و البته مدارهای سیلیکونی متصل به آنها که در بدن بر جای می‌مانند، خطری برای فرد ندارند، چون در ابعاد نانویی ساخته شده‌اند و سیستم ایمنی بدن را تحریک نمی‌کنند.

برایان لیت، دانشیار مهندسی زیستی و عصب شناسی در دانشگاه پنسیلوانیاست که از مدتی پیش تحقیقات گسترده‌ای را در این زمینه آغاز کرده است. او معتقد است: « امروزه بسیاری از دستگاه‌ها و تجهیزات پزشکی وارد بدن می‌شوند تا مدت زیادی در خدمت بیماران باشند، اما این تجهیزات با محدودیت‌های ساختاری زیادی همراه هستند؛ چون باید آنها را در یک جلد مخصوص محصور کرد. این پوشش حیاتی و ضروری است تا بافت‌های درونی بدن آسیبی به این تجهیزات نرسانند. اما آیا راهی برای خلاص شدن از این محدودیت‌ها وجود دارد؟» پاسخ او به این پرسش مثبت است. به عقیده او می‌توان با تکیه بر راه‌های جدید، به طراحی و ساخت تجهیزات نوین پزشکی پرداخت که نه تنها نیازی به چنین پوشش‌هایی نداشته باشد، بلکه انجام اعمال جراحی بعدی برای خارج کردن آنها از بدن منتفی شود.

یک گروه تحقیقاتی که برایان لیت در آن حضور دارد، هم‌اکنون در حال کار روی «LED»‌های سیلیکون ــ ابریشمی هستند که در آینده می‌توان کاربردهای زیادی برای آنها متصور شد. از جمله این کاربردها می‌توان به تاتوهای نوری اشاره کرد که می‌توانند قند خون را نشان دهند. طراحی و ساخت الکترودهای منطبق با بدن نیز از جمله دیگر کاربردهایی هستند که می‌توانند با سیستم عصبی بیماران نیازمند در تعامل باشند.

سال گذشته، جان راجرز، از استادان سرشناس مهندسی و علوم مواد در انستیتو بکمن دانشگاه الینویز مدارهای سیلیکونی قابل انعطاف و کش‌سانی را ارائه کرد که به دلیل قابلیت‌های مختلف و متنوع، می‌توان از آن در طیف گسترده‌ای از تجهیزات الکترونیکی استفاده کرد؛ اما او به همین میزان پیشرفت قانع نبود و برای این‌که این مدارها را منطبق با ساختارهای زیستی بسازد، همکاری‌های نزدیکی را با استادان دانشگاه تافت آمریکا آغاز کرد. محققان این دانشگاه، چند ماه قبل موفق به ارائه تجهیزات نوری مبتنی بر الگوهای نانویی شده بودند که اساس تولیدشان، پروتئین‌های موجود در پیله کرم ابریشم عنوان شده است.

برای ساخت چنین تجهیزاتی، محققان ترانزیستورهای سیلیکونی را که تنها یک میلیمتر طول و 250 نانومتر ضخامت دارند، روی لایه بسیار نازکی به عنوان پایه قرار دادند و سپس آن را به سطح فیلم بسیار نازکی از جنس ابریشم منتقل کردند. ابریشم این قابلیت را دارد که هر ریزدستگاهی را حتی با وجود آمیخته شدن با مایعات شور درون بدن و قرار گرفتن در آستانه حل شدن در بدن، در جای خود نگاه دارد. ادامه این تحقیقات نشان داده است که در عمل می‌توان این نوع تجهیزات را در بدن حیوانات کاشت. این در حالی است که هیچ نگرانی از بابت اثرات جانبی و سوء آنها احساس نمی‌شود. از آن گذشته، استفاده از ارائه‌های ابریشمی، هیچ تاثیری بر افت عملکرد ترانزیستورها در بدن نیز ندارد.

در تجهیزات سیلیکون ــ ابریشمی، ابریشم نقش منفعل اما بسیار مهمی را ایفا می‌کند. به عقیده محققان، ابریشم از نظر مکانیکی آنقدر مستحکم است که همچون یک عامل محافظ عمل کند و این در حالی است که اگر آب روی آن ریخته شود، بتدریج قابلیت سازگاری با بافت‌های زیستی نظیر بافت‌های بدن را پیدا می‌کند.

این ایده‌ها در حالی بتدریج به واقعیت تبدیل می‌شوند که اخیرا سازمان غذا و داروی آمریکا، ابریشم را برای استفاده در ایمپلنت‌های پزشکی مورد تایید قرار داده و از آنجا که در محیطی همچون درون بدن انسان کاملا حل می‌شود و هیچ اثر سوئی نیز بر جای نمی‌گذارد، می‌توان از آن در طیف گسترده‌ای از تجهیزات آتی پزشکی استفاده کرد.

ورقه‌های ابریشم انعطاف‌پذیر هستند و به همین دلیل می‌توان آنها را لوله کرد و در زمان انجام اعمال جراحی، به میزان مورد نیاز به کار گرفت و بدین ترتیب کار با آنها برای جراحان به مراتب ساده‌تر از سایر مواد مشابه خواهد بود. البته در پروژه‌هایی که از چند سال اخیر برای توسعه ایده استفاده از ابریشم در تولید تجهیزات پزشکی آغاز شده، نواقصی نیز وجود دارد که در پروژه اخیر برایان لیت برطرف شده است. انطباق‌پذیری زیستی سیلیکون قابل مقایسه با ابریشم نیست؛ گرچه مطالعات انجام شده نشان می‌دهند که این ماده خطرناک نیست. البته خطرناک نبودن آن برای بدن به اندازه و شکل قطعات سیلیکونی بستگی دارد که در بدن به کار گرفته می‌شوند. از این رو تلاش می‌شود برای به‌کارگیری آنها در تجهیزات پزشکی آینده، ابعاد آنها را به حداقل برسانند. از آن گذشته، ضروری است تا در ساختار این تجهیزات از ارتباطاتی از جنس تیتانیوم و طلا استفاده شود که البته سازگار با بافت‌های زیستی هستند؛ اما نه تجدیدپذیر. اکنون دغدغه اصلی محققان این پروژه تولید رابط‌های ارتباطاتی تجدیدپذیر هستند تا در کل استفاده از آنها در بدن هیچ‌گونه خطری برای فرد نداشته باشد. به عقیده لیت، همه چیز در آینده مشخص می‌شود.

زهرا شفاعت

منبع: Technology Review