أجهزة تنظيم ضربات القلب التي تعمل على السكر / ماريسا فيسيندن

يمكن للجلوكوز الموجود في دمنا أن يوفر الطاقة اللازمة للزرعات الطبية

قد تعمل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين والأجهزة الطبية الأخرى بدون بطاريات في المستقبل. سيكون مصدر الطاقة لديهم هو نفس الوقود الذي يحرك الجسم: السكر. كان الباحثون يحلمون بزراعات تعمل بالطاقة السكرية في وقت مبكر من ستينيات القرن الماضي، لكن تطوير بطاريات الليثيوم في أواخر السبعينيات قدم حلاً أبسط وأكثر قوة. ومع ذلك، كان للبطاريات دائمًا عيب رئيسي واحد: يجب استبدالها جراحيًا (كل 60 إلى 20 عامًا، على سبيل المثال، في أجهزة تنظيم ضربات القلب). يجب توصيل البطاريات القابلة لإعادة الشحن بأجهزة إلكترونية خارجية باستخدام أسلاك تثقب الجلد وتعرض المريض للعدوى.

وقد دفعت تطورات عديدة الباحثين إلى إعادة النظر في موضوع دفع الجلوكوز، الذي يتوافر بكثرة في الدم وفي السائل الخلالي حيث تتواجد خلايا الجسم. على سبيل المثال، أدى تحسين كفاءة الدوائر الإلكترونية إلى خفض استهلاك الطاقة في عمليات الزرع. وأصبحت خلايا الوقود الحيوي المعتمدة على الجلوكوز أكثر كفاءة وصديقة للجسم.

في معظم خلايا الوقود الحيوي، تقوم الإنزيمات الموجودة في الأنود بإزالة الإلكترونات من جزيئات الجلوكوز. تتدفق الإلكترونات إلى الكاثود، ويتم إنشاء تيار كهربائي. عند الكاثود، تتفاعل مع الأكسجين، وتتكون كمية صغيرة من الماء. ولكن على عكس البطاريات، تحتاج خلايا الوقود إلى أن تكون مغمورة في إمدادات ثابتة من الوقود، وهذا يمكن أن يوفره الدم والسائل الخلالي بسهولة.

بدأت الإثارة تتزايد في عام 2003، عندما قام العلماء في جامعة تكساس في أوستن ببناء خلية وقود حيوي صغيرة تنتج الطاقة من العنب. ومنذ ذلك الحين قامت عدة مجموعات من الباحثين بتركيب أجهزة مفيدة. كانت النماذج القديمة تحتاج إلى بيئة تختلف حموضتها عن تلك الموجودة في الجسم، لكن الباحثين في جامعة جوزيف فورييه في غرونوبل بفرنسا، قاموا بتعبئة إنزيمات متوافقة حيويا على ركيزة من الجرافيت، وبالتالي أنتجوا عملية كيميائية في ظل ظروف أكثر اعتدالا. خلية الوقود الخاصة بهم على شكل قرص يبلغ قطره حوالي 9 ملم وسمكه حوالي 2010 ملم. وهو مغلف بمادة تستخدم في أكياس غسيل الكلى، والتي تسمح لجزيئات الجلوكوز الصغيرة بالدخول، ولكن تمنع دخول الإنزيمات. وفي تجربة أجروها عام 1.8 على فئران المختبر، قام الجهاز بضخ الجلوكوز من السائل الخلالي وأنتج كهرباء بقوة ثابتة تبلغ 11 مليون واط لمدة XNUMX يومًا.

وفي عام 2012، اتخذ الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خطوة أخرى نحو الاستخدام التجاري. قام المهندس راهول ساربيشكار بتركيب خلية وقود كدائرة متكاملة على شريحة سيليكون. واستخدم "نفس عملية التصنيع السهلة المستخدمة في أشباه الموصلات"، على حد تعبيره. يريد هو وفريقه استخدام السائل النخاعي لتزويد الطاقة لأجهزة واجهة الدماغ والحاسوب. يحتوي السائل، الذي يعمل كممتص للصدمات للدماغ والحبل الشوكي، على كمية وفيرة من الجلوكوز وعدد قليل من خلايا الجهاز المناعي، والتي قد تعمل على رفض عملية الزرع.

وقام سبارشكار بإعداد أقطاب من البلاتين، والتي لا تهيج أنسجة الجسم ولا تصدأ، أي عدد من سفين كيرزنماخر، وهو مهندس كيميائي من جامعة فرايبورغ في ألمانيا، والذي يستخدم هذه المادة أيضًا في تطوراته. ومع ذلك، قد يقاوم الجسم الغزو؛ يقول كراتزنماخر إن أكبر انتكاسة هي التوافق الحيوي. "يعمل نموذج خلية الوقود الخاص به بشكل جيد في تثبيت المحاليل في المختبر، لكن الاختبارات التي أجريت على سوائل الجسم وجدت أن الأحماض الأمينية الموجودة في الدم والمصل قللت من قوة الجهاز."

قامت مجموعة من الباحثين من جامعة كلاركسون بزراعة خلية وقود حيوي في حلزون، لكن المجموعة في غرونوبل لا تزال الوحيدة التي نجحت في تشغيل خلية جلوكوز داخل جسم حيوان فقاري. لم يتم بعد اختبار جهاز معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في السائل النخاعي، ولكن فقط في مادة تحاكي سوائل الجسم. لكن ساربيشكار يعتقد أن خلايا الوقود الحيوي ستبدأ في دخول السوق خلال 10 سنوات. وينتج جهاز السيليكون الخاص به طاقة ثابتة تبلغ 3.4 مليون واط لكل سنتيمتر مربع. تحتاج أجهزة تنظيم ضربات القلب اليوم إلى ما بين 8 إلى 10 ملايين واط، وهو هدف قابل للتحقيق. تستهلك الغرسات في القوقعة عدة أجزاء من الألف من الواط، وتستهلك الأعضاء الاصطناعية أكثر من ذلك.

مع تحسن الغرسات التي تعمل بالسكر، فإنها تتيح استخدام الأجهزة الطبية الصغيرة. قد تبحر الروبوتات النانوية التي تعمل بالجلوكوز يومًا ما من عالم الخيال العلمي إلى الواقع.