سنسور های کوچک، در جدیدی به سوی الکترودرمانی (خبر)

مهندسان دانشگاه برکلی کالیفرنیا، موفق به ساخت حسگر‌های بی‌سیم در ابعادی نزدیک به ابعاد یک غبار شدند. این حسگرها می‌توانند در بدن کاشته شوند و عضلات، اعصاب و ارگان‌های بدن برا زیر نظر بگیرند. از آن جایی که این حسگر‌های کم‌مصرف می‌توانند برای تحریک عضلات و اعصاب مورد استفاده قرارگیرند، این فناوری در را به سوی الکترودرمانی، برای درمان اختلالاتی چون صرع و یا تحریک سیستم ایمنی بدن باز می‌کند.

این حسگرها که به غبار عصبی معروفند، از این جهت منحصر به فرد هستند که هم برای نیرو بخشیدن و هم برای خواندن اطلاعات آن‌ها می‌توان از امواج فراصوت استفاده کرد.

محققان می‌گویند: « در حال حاضر فناوری سونوگرافی در بیمارستان‌ها به خوبی توسعه یافته است و بر خلاف امواج رادیویی، ارتعاشات فراصوت می‌توانند به هر نقطه از بدن نفوذ کنند. »

میشل مهاربیز، استادیار علوم کامپیوتری و مهندسی برق و یکی از دو نویسنده اصلی این پژوهش، می‌گوید: « من فکر می‌کنم که در دراز مدت، چشم‌انداز غبار عصبی نه تنها به مغز و اعصاب محدود نخواهد شد، بلکه بسیار گسترده‌تر خواهد بود. در گذشته دستیابی به اندازه‌گیری از راه دور در بدن هرگز امکان پذیر نبوده است چرا که هیچ راهی برای قرار دادن ذراتی کوچک در اعماق بدن وجود نداشت. ولی امروزه ما می‌توانیم یک ذره را کنار یک عصب یا عضو قرار دهم و اطلاعات آن بخش را بازخوانی کنم. »

این حسگر‌ها که در حال حاضر پژوهشگران ابعاد آن‌ها را به اندازه یک مکعب یک میلی‌متری (یک دانه بزرگ از شن و ماسه) کاهش داده‌اند، شامل یک کریستال پیزوالکتریک می‌شوند که ارتعاشات فراصوت خارج بدن را به الکتریسیته‌ای ضعیف تبدیل می‌کند و یک برد ترانزیستور کوچک که در تماس با ماهیچه یا رشته‌های عصبی است. تغییر ولتاژ در هر رشته‌ی عصبی باعث ایجاد تغییراتی در مدار و لرزش کریستال می‌شود. بررسی تغییرات مشخص شده توسط گیرنده سونوگرافی بر عهده‌ی همان دستگاهی است که تولید ارتعاش می‌کند.

در این آزمایش، تیم دانشگاه برکلی حسگرهای منفعل را هر 100 میکروثانیه با 6 پالس فراصوت 540 نانو‌ثانیه‌ای تغذیه می‌کنند که باعث فعالیت پیوسته و بی‌تاخیر حسگر‌ها می‌شود. آن‌ها ذرات نسل اول ( ذراتی با طول 3 میلی‌متر، ارتفاع 1 میلی‌متر و عرض 4/5 میلی‌متر) را با اپوکسی پوشش دادند. آن‌ها در حال حاضر مشغول به ساخت ذراتی از فیلم‌های نازک زیست‌سازگار هستند که بدون تخریب به مدت یک دهه یا بیشتر در بدن باقی بمانند.

به گفته‌ی دانشمندان علی‌رغم این که تا کنون محیط آزمایش فضای سیستم عصبی و ماهیچه‌ها بوده است، غبار عصبی می‌توانند در سیستم عصبی مرکزی و مغز نیز به همان اندازه کارایی داشته باشند.

الکترود های قابل کاشت امروزی طی 1-2 سال تخریب شده و همه به سیم‌هایی متصل‌اند که باید از سوراخی که در جمجمه ایجاد می‌شود عبور کنند در حالی که سنسور‌های بی‌سیم مانع عفونت و یا حرکت نا‌خواسته‌ی الکترود‌ها می‌شوند.

ریان نیلی، دانشجوی فارغ‌التحصیل علوم اعصاب می‌گوید: « هدف اصلی از پروژه‌ی غبار عصبی، تصور نسل بعدی رابط‌های بین مغز و ماشین و تبدیل آن به یک فناوری بالینی و با دوام است. اگر یک انسان فلج بخواهد یک بازوی روباتیک را کنترل کند، تنها کافی است شما این الکترود را در مغز وی بکارید و این الکترود تا پایان عمر در آن جا باقی خواهد ماند. »

در یکی از مقالات منتشر شده در سال 2013، دانشمندان تخمین زنده‌اند که بتوانند ابعاد حسگرها را تا یک مکعب 50 میکرونی کاهش دهند. مشکل آن است که در این سایز ذرات به هم خواهند چسبید و تنها  تعداد محدودی از فعالیت‌های الکتریکی آکسون‌های عصبی را ثبت خواهند نمود.

کارمنا می‌گوید: « حسگرها در حال حاضر به اندازه‌ای کوچک هستند که در فضای سامانه‌ی عصبی، برای مثال درسرکوب اشتها و کنترل مثانه، عملکرد خوبی داشته باشند ولی فناوری که در حال حاضر وجود دارد برای رسیدن به هدف 50 میکرونی مورد نیاز در مغز و سیستم عصبی مرکزی کافی نیست. »

با این حال غبار عصبی تنها، جایگزینی برای سیم الکترود هاخواهند بود.

تیم در حال حاضر بر روی کوچک کردن هر چه بیشتر دستگاه، یافتن مواد زیست‌ سازگارتر و بهبود سطح فرستنده و گیرنده که وظیفه دریافت و ارسال امواج فراصوت را دارند متمرکز است. آن‌ها اکنون در حال ساخت کوله‌پشتی کوچک حامل فرستنده‌ها و گیرنده‌ها سونوگرافی برای موش‌ها هستند، تا داده‌های ذرات کاشته شده را ضبط کنند. علاوه بر موارد فوق، گروه مذکور مشغول افزایش توانایی ذرات برای شناسایی سیگنال‌های غیرالکتریکی مانند هورمون‌ها و … می‌باشد.

به گفته‌ی دنگجین سئو، چشم انداز فعلی، کاشت غبار عصبی در هر نقطه از بدن است که یک وصله‌ی کوچک در محل کاشت برای دریافت اطلاعات لازم از ذرات، به ارسال و دریافت امواج فراصوت می‌پردازد.

مهاربیز و کارمنا  ایده‌ی غبار عصبی را از 5 سال پیش به تصویر کشیدند. با این حال تلاش آن‌ها برای رسیدن به یک دستگاه کاشت با قدرت مطلوب و خواندن داده‌‌ها با استفاده از امواج رادیویی نا‌امید‌کننده بود. با وجود فاصله میان بافت‌ها، امواج رادیویی به شدت تضعیف می‌شدند. پس بدون استفاده از اشعه‌ای مخرب و قوی، برقراری ارتباط بین بافت‌های عمیق بدن و دستگاه دشوار است.

مهاربیز با ایده‌ی سونوگرافی رو‌به‌رو شد و پس از آن در سال 2013 مقاله‌ای با همکاری کارمنا، سئو و دیگر همکارانش منتشر کرد که عملکرد چنین سیستمی را توصیف می‌کرد.

مهاربیز و دانشجویانش معتقدند: « اولین مطالعات ما نشان داد که فیزیک بنیادی فراصوت این اجازه را می‌دهد که ایمپلنت‌های بسیار بسیار کوچک به ضبط و ارتباط داده‌های عصبی بپردازند. »

سئو می‌گوید: « زمانی که شما دستگاه‌هایی در مقیاس میلی‌متر یا کوچک تر را برای بررسی اعماق بدن هدف قرار می‌دهید، سونوگرافی بسیار کارآمد است. »

استفاده از خالکوبی گرافنی به جای سنسورهای سلامتی! (خبر)

منبع: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=44145.php