انقلابی در درمان قلبی با «برگ مصنوعی»؛ تحریک ضربان قلب بدون باتری ممکن شد_آینده

الهام از طبیعت بار دیگر مرزهای فناوری را جابه‌جا کرده است. پژوهشگران دانشگاه شیکاگو موفق شده‌اند با الگوبرداری از فرآیند فتوسنتز در برگ گیاهان، یک سامانه زیست‌الکترونیکی بی‌سیم مبتنی بر نانوپلاسمونیک طراحی کنند که تنها با تابش نور قادر به تحریک اعصاب و تنظیم ضربان قلب است. این فناوری نوآورانه که بدون نیاز به باتری یا سیم‌کشی خارجی کار می‌کند، علاوه بر تشکیل افق‌های تازه در درمان بیماری‌های قلبی و عصبی، می‌تواند عرصه‌ساز نسل جدیدی از رابط‌های هوشمند بین انسان و رایانه و حسگرهای نوری پیشرفته باشد.

دانشمندان آمریکایی با الهام از یکی از شگفت‌انگیزترین فرآیندهای طبیعی، یعنی فتوسنتز، موفق به گسترش یک «برگ مصنوعی» شده‌اند که می‌تواند تنها با منفعت گیری از نور، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تحریک بافت‌های زنده را تشکیل کند. این دستاورد که حاصل همکاری پژوهشگران دانشگاه شیکاگو، دانشگاه ملی سئول، آزمایشگاه ملی بروکهاون و آزمایشگاه ملی آرگون است، می‌تواند فصل تازه‌ای در گسترش تجهیزات پزشکی کاشتنی، درمان بیماری‌های عصبی و طراحی رابط‌های نوین انسان و ماشین رقم بزند.

پژوهشگران این پروژه که نتایج آن در نشریه معتبر Nature Photonics انتشار شده است، از ساختاری الهام گرفته‌اند که در غشای تیلاکوئیدی گیاهان وجود دارد؛ جایی که انرژی نور خورشید با بازدهی بالا به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. با وجود دهه‌ها تلاش برای ساخت سامانه‌های مصنوعی برداشت نور، فناوری‌های الکترونیکی حاضر تا این مدت نتوانسته‌اند به کارایی سیستم‌های طبیعی نزدیک شوند.

برای تسلط بر این محدودیت، پژوهشگران به سراغ فناوری نانوپلاسمونیک رفتند؛ شاخه‌ای از فناوری نانو که از نانوساختارهای فلزی برای جذب، متمرکز کردن و تبدیل انرژی نور به حامل‌های بار الکتریکی منفعت گیری می‌کند. در این فناوری، نانوذرات فلزی همانند طلا قادرند نور را به شکلی زیاد مؤثر جذب کرده و الکترون‌های پرانرژی تشکیل کنند؛ الکترون‌هایی که می‌توانند فرآیندهای الکتریکی و شیمیایی را در مقیاس نانو کنترل کنند.

کلید پیروزی این پژوهش، طراحی معماری جدیدی برای این نانوساختارها می بود. پژوهشگران ذره‌ای از طلا را با نیم‌کره‌ای از دی‌اکسید تیتانیوم پوشاندند و در زیر آن نیز یک لایه نازک طلا قرار دادند. این لایه طلایی همانند یک آینه عمل می‌کند و نور عبوری را بازتاب می‌دهد تا انرژی نوری درون ساختار به دام افتاده و چندین بار تحکیم شود. نتیجه این طراحی، افزایش دیدنی توان تشکیل بار الکتریکی و ذخیره انرژی در قیاس با سامانه‌های قبل می بود.

به حرف های محققان، بدون این لایه بازتابنده، قسمت عمده نور از ساختار عبور کرده و هدر می‌رود، اما وجود آن علتمی‌شود انرژی نور در داخل نانوساختار متمرکز شده و کارایی دستگاه به مقدار قابل توجهی افزایش یابد. این پیشرفت، امکان منفعت گیری عملی از نانوپلاسمونیک را در تجهیزات زیست‌الکترونیکی فراهم کرده است.

بعد از ساخت این سامانه در مرکز نانوساخت دانشگاه شیکاگو، پژوهشگران کارکرد آن را در مدل حیوانی مورد آزمایش قرار دادند. آنها قطعه‌ای از این «برگ مصنوعی» را روی قلب موش آزمایشگاهی قرار دادند و تنها با تاباندن نور توانستند ضربان قلب را کنترل و تنظیم کنند. در آزمایشی دیگر، این سامانه روی عصب سیاتیک حیوان نصب شد و تابش نور علتتحریک عصب و تشکیل جواب عصبی شد؛ نتیجه‌ای که مشخص می کند این فناوری می‌تواند در آینده برای درمان دردهای مزمن عصبی و اختلالات سیستم عصبی مورد منفعت گیری قرار گیرد.

یکی از ویژگی‌های برجسته این سامانه، کارکرد کاملاً بی‌سیم آن است. برخلاف تعداد بسیاری از ایمپلنت‌های پزشکی که برای فراهم انرژی به باتری یا سیم نیاز دارند، این فناوری مستقیماً انرژی مورد نیاز خود را از نور دریافت می‌کند. همین ویژگی می‌تواند پیچیدگی تجهیزات کاشتنی را افت داده، خطر عفونت را کم کند و عمر سودمند آنها را افزایش دهد.

بازدید‌های انجام‌شده نشان داد این سامانه قادر است چگالی جریان الکتریکی در حد میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع تشکیل کند؛ مقداری که برای سامانه‌های بی‌سیم زیاد قابل دقت است و حتی با تعداد بسیاری از مواد نیمه‌رسانای رایج رقابت می‌کند یا از آنها فراتر می‌رود. پژوهشگران اظهار کرده‌اند تا بحال نمونه شبیهی از یک سامانه نانوپلاسمونیک با این چنین عملکردی در کاربردهای زیستی گزارش نشده است.

اما قابلیت‌های این فناوری به پزشکی محدود نمی‌شود. تیم تحقیقاتی با منفعت گیری از همین ماده، سامانه‌ای برای تشخیص و پردازش اطلاعات نوری نیز طراحی کرده است. این سامانه برخلاف نمایشگرهای لمسی رایج، به جای تماس انگشت، به تابش نور عکس العمل مشخص می کند. در آزمایش‌های انجام‌شده، پژوهشگران با منفعت گیری از یک اشاره‌گر لیزری الگوهای مختلفی را روی این سامانه تشکیل کردند و سپس یک الگوریتم هوش مصنوعی موفق شد این الگوها را بازسازی و تفسیر کند.

به باور پژوهشگران، این فناوری می‌تواند نسل تازه‌ای از رابط‌های انسان و رایانه را به وجود آورد؛ رابط‌هایی که اطلاعات را نه از طریق لمس، بلکه با منفعت گیری از نور منتقل می‌کنند. حتی امکان منفعت گیری از طول موج‌های نامرئی نیز وجود دارد که امنیت انتقال اطلاعات را به مقدار قابل توجهی افزایش خواهد داد. در این چنین سامانه‌هایی، هوش مصنوعی ماموریت رمزگشایی و تفسیر داده‌های نوری را بر مسئولیت خواهد داشت.

به نقل از ستاد نانو؛ تیم پژوهشی اکنون در حال گسترش نسخه‌ای کاملاً کاشتنی از این فناوری است که بتواند دست‌کم یک سال بدون نیاز به منبع انرژی خارجی یا معاوضه قطعات در بدن فعالیت کند. این چنین برنامه‌هایی برای منفعت گیری از این معماری در ساخت حسگرهای کوانتومی نسل آینده نیز در دست اجرا است.

پژوهشگران پافشاری می‌کنند پیروزی این پروژه نتیجه همکاری بین متخصصان حوزه‌های گوناگون از جمله شیمی، مهندسی مواد، زیست‌فیزیک، بیوشیمی، فناوری نانو و مکانیک کوانتومی بوده است. به باور آنها، گسترش فناوری‌های پیچیده آینده بیشتر از هر زمان فرد دیگر به همکاری بین رشته‌های گوناگون علمی وابسته خواهد می بود؛ رویکردی که می‌تواند مسیر خلق نسل تازه‌ای از تجهیزات هوشمند پزشکی و سامانه‌های الکترونیکی الهام‌گرفته از طبیعت را هموار سازد.