Egy ultrahangos árammal működő implantátum, amely nem akkumulátorokkal működik, forradalmasíthatja a bioelektronika területét. Az Advanced Materials című folyóiratban Dr. Young-Jun Kim és koreai kollégái a Sungkyunkwan Egyetemről bemutatják a beültethető bioelektronikákhoz alkalmazott megközelítésüket, amely félig állandó, energiatakarékos és kompakt – mindez a jelenlegi technológiában nehézkesen elérhető egyensúly.
A bioelektronikai eszközökről leggyakrabban felmerülő kérdések az, hogy „hogyan működik?” és „felhasználóbarát-e?”
A legtöbb bioelektronikában az akkumulátor a tipikus energiaforrás, amelyhez táska vagy zseb tartozik a rendszerhez – ezáltal növelve a rendszer összsúlyát és a felhasználó fáradtságát.
Ezeknek a eszközöknek a többsége mindennapos használatra szolgál, és sokukat félig állandóan beültetik, ami azt jelenti, hogy orvosi segítség nélkül nem távolíthatók el teljesen. A bioelektronikai eszköz tervezett alkalmazásától függően lehet kicsi vagy sokkal nagyobb. Kényelmesnek és funkcionálisnak kell lennie.
Az implantátum esetében a készüléket általában egy a mellkason valahol rögzített akkumulátorra csatlakoztatják. Bár nem invazív, a használat hónapok vagy évek múlva körüberszerkeszetté válhat.
Kim és kollégái eltérő módszert használtak az akkumulátorral működő tervezéshez, az ultrahang technológiához folyamodtak. Az ultrahangot általában képalkotó technológiaként gondoljuk, amelyet gyakran alkalmaznak terhes nőknél vagy belső sérülések esetén. Azonban Kim és kollégái más módon használják az ultrhangot: kisáramú elektromos energiát továbbítanak vele.
A két anyag közötti elektronok átjutása különböző polarizációval rendelkező két anyag között triboelektromosságnak nevezik. Az ultrahangos elektróda negatív töltéssel rendelkezik, míg az implantátumnak pozitív töltése van. Amikor az ultrahangos elektróda közeledik, vezeték nélküli energiaátvitel történik.
A beültetett készüléket, amelyet Kim és kollégái triboelektromos nanogenerátoroknak neveznek, kisáramú elektromos energiával közvetlenül stimulálják az idegeket. Nem szívják az energiát egy akkumulátoros csomagból, hanem az beültetés transzkután régióján keresztül az ultrahang egység nyújt kisáramú energiát.
Az ilyen típusú rendszert gyakran alkalmazzák szervterápiában, az elégtelenül működő szervet ösztönözve annak működésének javítása érdekében. Például Kim és kollégái a triboelektromos rendszert egy egér modellbe ültették, amelynek túlműködő húgyhólyagja volt, hogy teszteljék az eszközüket.
Megfigyelték, hogy az azonos méretű és helyzetű inaktív kontroll implantátumhoz viszonyítva a készülék csökkentette a vizelés gyakoriságát és javította a húgyhólyag kapacitását, anélkül, hogy károsan befolyásolta volna az egészséges húgyhólyag működését.
Bár ez a rendszer még nem került alkalmazásra emberben, az ilyen tanulmányok lényegesek a technológia fejlesztésekor.
Az akkumulátorokhoz képest az ultrahangnak számos jelentős előnye van. Az ultrahang áthatolhat olyan anyagokon, mint a fémek, ami csökkenti a készülék méretét és a betegek kellemetlenségét. Továbbá, az akkumulátorok szükségének csökkentése energiahatékonyabb és környezetbarát eszközökhöz vezet. Végül, az ultrahang alacsony elektromos árama sokkal kevésbé káros a testre és az idegekre, mint a magasabb áramú rendszerek, amelyeket más tervezésekben használnak.
Azonban még izgalmasabbnak tartom a triboelektromosság koncepcióját önmagában. A legtöbb ergonomikus bioelektronikai kialakításban az energiaellátás korlátozást jelent. A triboelektromosságnak köszönhetően megszűnt a batteriára épülő tervezések szüksége.
A hátránya annak a szükséglete, hogy minden alkalommal használni kell egy ultrahangos elektródát az implantátum aktiválásához. Ez korlátozza a jelenlegi rendszerek mindennapi alkalmazását. Azonban ahogy a hordozható ultrahangeszközök fejlődnek, növekedhet az alkalmazások köre a triboelektromosságon alapuló tervezésekben. Az ötlet és a kialakítás azonban figyelemre méltó.
Nem lepődnék meg, ha hasonló technológiát a következő hónapok és évek során szélesebb körben alkalmaznának a regeneratív orvoslás területén, például protézisekben, inzulinadagolásban, fizikai rehabilitációban, stb. Izgatottan várom az ilyen előrehaladást.
További információért olvassa el a következő cikket a www.williamhaseltine.com weboldalon.
Gyakran Ismételt Kérdések
1. Hogyan működik az ultrahangos implantátum?
– Az ultrahang áramot továbbít a beültetett készüléknek, amely triboelektromos nanogenerátorokkal stimulálja az idegeket.
2. Milyen előnyei vannak az ultrahangnak a hagyományos akkumulátorokkal szemben?
– Az ultrahang áthatol olyan anyagokon, mint a fémek, csökkentve a készülék méretét és a betegek kellemetlenségét. Emellett energiahatékonyabb és környezetbarátabb megoldás.
3. Mi a triboelektromosság?
– A triboelektromosság két anyag közötti elektronok átjutását jelenti, amikor a két anyagnak különböző polarizációja van.
4. Mire alkalmazható az ultrahang alapú implantátum?
– Az ultrahangos technológia többek között szervterápiában, protézisekben, inzulinadagolásban és fizikai rehabilitációban is alkalmazható.
Forrás:
The source of the article is from the blog exofeed.nl