10 دقیقه
یک پالس ساده نور مرئی اکنون میتواند الکترودهایی عملی و قابلکاربرد را مستقیماً روی پوست و سطوح دیگر بنویسد — بدون حلالهای سمی و بدون نیاز به لیزرهای تخصصی. پژوهشگرانی در سوئد روشی مبتنی بر آب توسعه دادهاند که با استفاده از نور، مونومرهای طراحیشده ویژه را به پلیمرهای هادی تبدیل میکند؛ روشی که افقهای جدیدی برای حسگرهای پوشیدنی، پایش پزشکی، و تولید ایمنتر الکترونیک ارگانیک گشوده است. این فرایند مبتنی بر آب و فاقد افزودنیهای سمی است که سازگاری زیستی (بیوکامپتیبلیتی) را بهبود میبخشد و ریسکهای زیستمحیطی و صنعتی را کاهش میدهد.
از جوهر مایع تا الکترودهای عملی: چگونه کار میکند
در هستهٔ این روش، مونومرهای محلول در آب قرار دارند — بلوکهای شیمیایی کوچک که هنگامی که به هم متصل میشوند، زنجیرهای بلند پلیمر هادی را تشکیل میدهند. بهجای اتکا به آغازگرهای شیمیایی قوی و گاهی خطرناک یا تابش فرابنفش، تیم تحقیقاتی پلیمریزاسیون را با نور مرئی معمولی فعال میکند. نتیجه مادهای پلاستیکی هادی است که رفتار الکتریکی فلزات و نیمهرساناها را با انعطافپذیری و نرمی پلیمرها ترکیب میکند؛ ویژگیای که برای تجهیزات پوشیدنی و رابطهای زیستی-الکترونیکی بسیار مهم است.
در عمل، فرایند ساده و قابلدسترس است. پژوهشگران یک محلول مایع حاوی مونومرها را روی سطح هدف — شیشه، پارچه یا حتی پوست — اعمال میکنند. سپس با استفاده از منبع نور متمرکز الگوی الکترود را ترسیم میکنند. بخشهایی که در معرض نور قرار میگیرند پلیمریزاسیون را تجربه کرده و هادی میشوند؛ محلولهای ناپلیمریزه شده قابل شستوشو هستند و پس از حذف تنها مدار نوشتهشده باقی میماند. تمام واکنش در آب رخ میدهد و افزودنیهای سمی را حذف میکند، امری که فرایند را ذاتاً سازگار با بافتهای زیستی میسازد و احتمال واکنشهای التهابی را کاهش میدهد.
زِنفون استراکوساس، دانشیار در Laboratory of Organic Electronics، LOE در دانشگاه لینکوپینگ.
چرا پلیمرهای هادی برای پزشکی و دستگاههای پوشیدنی اهمیت دارند
پلیمرهای هادی — که گاهی با عنوان پلیمرهای مزدوج یا conjugated polymers شناخته میشوند — به دلیل قرار گرفتن در مرز میان الکترونیک سخت و بافت زیستی نرم جذابیت دارند. این مواد میتوانند هم الکترون و هم یون را منتقل کنند؛ تواناییای که ارتباط طبیعیتری با سامانههای زنده ایجاد میکند. چنین رفتار نرم و حامل یونی برای حسگرهای زیستی، الکترودهای ضبط عصبی و دستگاههای پوشیدنی که باید در تماس مداوم با پوست راحت باقی بمانند، بسیار ارزشمند است.
این ترکیبِ هدایت یونی-الکترونی (mixed ionic-electronic conduction) باعث میشود سیگنالهای زیستی با جلوگیری از تداخل تماس الکترود-پوست با امپدانس بالا بهتر خوانده شوند. در عمل، کاهش امپدانس تماس و افزایش تطابق مکانیکی بین الکترود و پوست میتواند کیفیت سیگنالهایی مانند EEG و EMG را افزایش دهد و در عین حال ناراحتی بیمار را کاهش دهد. بهعنوان نمونهٔ شناختهشده در ادبیات علمی، پلیمرهایی مانند PEDOT:PSS نشان دادهاند که چگونه هدایت ترکیبی میتواند در حسگرهای زیستی مفید باشد؛ اما روش جدید بر روی مونومرهای محلول در آب و پلیمریزاسیون مستقیم با نور مرئی تمرکز دارد، که مزایای اضافی در زمینه سازگاری زیستی و سهولت تولید فراهم میآورد.
«فکر میکنم این تا حدی یک پیشرفت است. این یک راه دیگر برای تولید الکترونیک است که سادهتر است و نیاز به تجهیزات گرانقیمت ندارد»، میگوید زِنفون استراکوساس از Laboratory of Organic Electronics در دانشگاه لینکوپینگ. توانایی استفاده از منابع نوری کمهزینه و فرمولاسیونهای آبی میتواند مسیر را برای کاربردهای بالینی و صنعتی هموارتر کند.
توبیاس آبرامسون، پژوهشگر در دانشگاه لینکوپینگ
آزمایش واقعی: ضبط سیگنالهای مغزی روی پوست
برای نشان دادن پتانسیل روش در پایش پزشکی، تیم پژوهشی الکترودهایی را مستقیماً روی پوست موشهای بیهوش الگو داد و سیگنالهای بهدستآمده را با الکترودهای سنتی فلزی EEG مقایسه کرد. الکترودهای چاپشده از پلیمر هادی، فعالیت مغزی فرکانس پایین را با وضوح و کیفیت بیشتری نسبت به تماسهای فلزی معمولی ضبط کردند؛ نتیجهای که نشاندهندهٔ رابط سیگنال بهتر میان الکترونیک نرم و بافت زیستی است. واضحتر شدن سیگنالهای کمفرکانس برای کاربردهای بالینی مانند پایش تشنج، تحلیل خواب یا مطالعات پایهٔ عصبی اهمیت دارد.
بهگفتهٔ توبیاس آبرامسون، نویسندهٔ مسئول مطالعه، شیمی ملایم پلیمر و توانایی آن در حمل سیگنالهای یونی تعیینکننده است: «از آنجا که ماده میتواند هم الکترون و هم یون را منتقل کند، میتواند بهطور طبیعی با بدن ارتباط برقرار کند، و شیمی ملایم آن تضمین میکند که بافت آن را تحمل کند — ترکیبی که برای کاربردهای پزشکی حیاتی است.» این نکته بر اهمیت سازگاری شیمیایی و عملکرد الکتریکی همزمان تأکید دارد.
پلیمریزاسیون با نور مرئی در آب: هرچه مونومر مدت طولانیتری در معرض نور قرار گیرد، محلول به سمت آبیتر و تیرهتر شدن میرود زیرا به یک مادهٔ پلیمر هادی تبدیل میشود. پلیمریزاسیون مستقیماً در آب انجام میشود و کاملاً بدون افزودنیهای سمی است که فرایند را سازگار با بافتهای زیستی میسازد. اعتبار تصویر: Thor Balkhed
گسترش مقیاس: پارچهها، تولید انبوه و ساخت ایمنتر
از آنجا که این روش روی زیرلایههای متنوعی کار میکند، میتوان آن را به مجموعهای از کاربردها تعمیم داد. تصور کنید حسگرهایی که مستقیماً روی پوشاک چاپ میشوند، پچهای بهداشتی یکبارمصرفی که بدون حلالهای مضر تولید میشوند، یا مدارهای الکترونیک ارگانیک با مساحت بزرگ که با ابزارآلات سادهتری ساخته میشوند. حذف مواد شیمیایی خطرناک و استفاده از نور مرئی بهجای فرابنفش یا لیزرهای پرقدرت، هم ریسکهای ایمنی و هم موانع فنی را برای پذیرش صنعتی کاهش میدهد.
تیم پژوهشی که همکاری مشترکی میان دانشگاه لینکوپینگ، دانشگاه لوند و همکارانی در نیوجرسی است، بر انعطافپذیری این تکنیک تأکید دارد. یک لامپ LED معمولی میتواند پلیمریزاسیون را آغاز کند، که به معنای حذف نیاز به سیستمهای اپتیکی گرانقیمت برای بسیاری از کاربردها است. این در دسترسپذیری میتواند پیادهسازی در محیطهای با منابع محدود را تسریع کند و فناوریهای جدید پوشیدنی سلامت را سریعتر به بازار برساند. علاوه بر این، امکان سازگاری با فرآیندهای تولید رولتو-رول (roll-to-roll) و چاپ جوهرافشان صنعتی وجود دارد؛ فرایندهایی که هزینه و زمان تولید را برای تولید انبوه پایین میآورند.
چه چالشهایی باقی ماندهاند؟
با وجود نتایج اولیه امیدوارکننده، موانع متعددی پیش از عرضهٔ بالینی یا تجاری وجود دارد. سازگاری زیستی بلندمدت در بازهٔ روزها یا هفتهها پوشش مداوم، چسبندگی و دوام روی پوست در شرایط حرکت، استانداردسازی عملکرد الکتریکی در حضور عرق و حرکت، و تکرارپذیری فرایند در مقیاس صنعتی از جمله سوالاتی هستند که باید پاسخ داده شوند. علاوه بر این، تأییدهای مقرراتی برای دستگاههای پزشکی یک لایهٔ اضافی از آزمایش و مستندسازی را میطلبد که شامل آزمونهای سمیشناسی، بیومکانیک و پایداری عملکرد است.
چند چالش فنی مشخص نیز وجود دارد که پژوهشگران و مهندسان باید به آنها بپردازند: بهینهسازی فرمولاسیون جوهر (ink) برای دستیابی به رسانایی مطلوب و ویسکوزیته مناسب برای چاپ، کنترل دقیق زمان و شدت تابش نور برای یکنواختی پلیمریزاسیون، و اطمینان از اینکه فرایند تحت شرایط محیطی مختلف (دامنهٔ دما و رطوبت) قابل تکرار است. همچنین آزمونهای چرخهٔ پوشش/پاکسازی، آزمونهای خستگی مکانیکی و مطالعات بلندمدت پیرامون جذب یونها و تغییرات ساختاری پلیمر در حضور عرق و عوامل بیوشیمیایی، ضروری هستند.
با این حال، با حذف حلالهای سمی و سادهسازی تولید، پلیمریزاسیون مبتنی بر نور مرئی میتواند موانع ورود را کاهش داده و گسترهٔ انواع الکترونیک ارگانیکی را که میتوان در مقیاس تولید ساخت، افزایش دهد. این تحول بالقوه میتواند تأثیر مهمی بر تولید حسگرهای پوشیدنی پزشکی، الکترودهای عصبی و دیگر اجزای تعبیهشده در زیستپزوهشها داشته باشد.
نکته کارشناسانه
دکتر مایا لین، مهندس زیستپزشکی متمرکز بر فناوریهای عصبی پوشیدنی، اظهار کرد: «این روش هیجانانگیز است زیرا سازگاری مواد را با مسیر ساخت کمتکنولوژی ترکیب میکند. الکترودهای نرم با هدایت یونی که بهصورت in situ چاپ میشوند میتوانند امپدانس را کاهش داده و راحتی را برای پایش طولانیمدت بهبود بخشند. گام بعدی اثبات پایداری در شرایط واقعی — تعریق، حرکت و پوششهای مکرر — است، ولی مفهوم بنیادی قوی و کاربردی بهنظر میرسد.»
مطالعه — منتشرشده در Angewandte Chemie — یک اثباتِ مفهوم قانعکننده ارائه میدهد که نور مرئی و مونومرهای محلول در آب طراحیشده میتوانند الکترودهای قابلانعطاف و سازگار با بافت تولید کنند که برای اندازهگیریهای حساس زیستی مناسباند. اگر تحقیقات بعدی دوام و ایمنی را تأیید کنند، این تکنیک میتواند نحوهٔ ساخت الکترونیک پوشیدنی پزشکی و مدارهای ارگانیک را متحول سازد. علاوه بر جنبههای بالینی، این رویکرد نویدبخش کاهش هزینههای تولید، تسهیل توسعهٔ کاربردهای اینترنت اشیاء پزشکی (IoMT) و گسترش دسترسی به فناوریهای بهداشتی در مناطق با منابع محدود است.
برای بهینهسازی و تجاریسازی این فناوری، همکاری میان دانشمندان مواد، مهندسان زیستپزشکی، متخصصان بالینی و صنایع تولیدی ضروری است. پژوهشهای تکمیلی میتواند شامل آزمایشهای بالینی اولیه، توسعه استانداردهای عملکرد الکترود، بررسیهای چرخهٔ حیات (LCA) برای تحلیل اثرات زیستمحیطی و مطالعات اقتصادی برای تعیین هزینهٔ تولید انبوه باشد. در مجموع، ترکیب پیشرفتهای مواد رسانا، تکنیکهای چاپ مبتنی بر آب و منابع نوری کمهزینه یک مسیر نوآورانه و عملی برای گسترش «الکترودهای پوشیدنی» و «حسگرهای پوشیدنی» فراهم میآورد.
منبع: scitechdaily
نظرات
کیوان_
خوبه، ولی به نظرم زیادی هایپ شده، استانداردهای بالینی و تکرارپذیری لازمه مخصوصا تو پوست متحرک.
بیونیکس
من تو آزمایشگاه روشای آبی دیدم، ولی نتایج روی پوست همیشه چالش بوده؛ امیدوارم دوام داشته باشه.
رودایکس
واقعاً؟ چاپ الکترود روی پوست با لامپ الایدی؟ فوقالعادهست، اگه واقعاً بیخطر باشه کلی کاربرد داره!
ارسال نظر