تولید انرژی الکتریکی برای بدن انسان

فرادید | توسعه نانو تکنولوژی جدید توسط یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی امکان تولید جریان‌های الکتریکی و ولتاژ درون بدن انسان را از طریق فعال سازی اندام‌های مختلف با استفاده از نیروی مکانیکی فراهم می‌کند.

این توسعه شامل یک ماده بیولوژیکی جدید و بسیار قوی، مشابه کلاژن است که غیر سمی است و هیچ آسیبی به بافت‌های بدن نمی‌رساند.

به گزارش فرادید؛ محققان معتقدند که این نانو فناوری جدید کاربرد‌های بالقوه زیادی در پزشکی دارد، از جمله استخراج انرژی پاک برای کار کردن ضربان ساز‌های قلب و سایر دستگاه‌های کاشته شده در بدن از طریق حرکات طبیعی بدن، از بین بردن نیاز به باتری و جراحی مورد نیاز برای جایگزینی آنها.

این مطالعه توسط پروفسور ایهود گازیت از دانشکده زیست پزشکی و تحقیقات سرطان TAU در دانشکده علوم زندگی George S. Wise، گروه علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی Fleischman و مرکز علوم نانو و فناوری نانو، همراه بود با تیم آزمایشگاهی خود، دکتر سانتو برا و دکتر وی جی، انجام شده است. محققان موسسه وایزمن و تعدادی از موسسات تحقیقاتی در ایرلند، چین و استرالیا نیز در این مطالعه شرکت داشته‌اند.

پروفسور گازیت می‌گوید: «کلاژن شایع‌ترین پروتئین در بدن انسان است که حدود ۳۰ ٪ از کل پروتئین‌های موجود در بدن انسان را تشکیل می‌دهد. این یک ماده بیولوژیکی با ساختار مارپیچ و انواع خصوصیات فیزیکی مهم مانند قدرت مکانیکی و انعطاف پذیری است که در بسیاری از کاربرد‌ها مفید است. با این حال، از آنجا که مولکول کلاژن بزرگ و پیچیده است، مدتهاست که محققان به دنبال یک مولکول کمینه گرا، کوتاه و ساده هستند که مبتنی بر کلاژن باشد و ویژگی‌های مشابهی از خود نشان دهد.»

وی افزود: «حدود یک سال و نیم پیش گروه ما تحقیقی را منتشر کرد که در آن از روش‌های نانو فناوری برای مهندسی یک ماده بیولوژیکی جدید استفاده کردیم که مطابق با این نیاز‌ها باشد. این یک تریپپتید است - یک مولکول بسیار کوتاه به نام Hyp-Phe-Phe که فقط شامل سه اسید آمینه است - و قادر بود یک فرایند ساده از خود مونتاژ کند و تشکیل یک ساختار مارپیچی کلاژن مانند بدهد که انعطاف پذیر است و دارای استحکام مشابه با فلز تیتانیوم است.»

دکتر گازیت می‌گوید: «در مطالعه اخیر، ما به دنبال بررسی این موضوع هستیم که آیا ماده جدیدی که تولید کرده‌ایم دارای پیزوالکتریک است یا خیر؛ ویژگی دیگری که کلاژن را مشخص می‌کند. پیزوالکتریسیته توانایی یک ماده در تولید جریان‌های الکتریکی و ولتاژ در نتیجه اعمال نیروی مکانیکی یا بالعکس برای ایجاد نیروی مکانیکی در نتیجه قرار گرفتن در معرض یک میدان الکتریکی است.»

محققان ساختار‌های نانومتریِ مهندسی شده‌ای را ایجاد کردند و با کمک ابزار پیشرفته نانو فناوری، فشار مکانیکی بر آن‌ها وارد کردند. این آزمایش نشان داد که این ماده در نتیجه فشار، جریان الکتریکی و ولتاژ تولید می‌کند.

علاوه بر این، در میان این ساختار‌های کوچک صد‌ها نانومتر، یکی از بالاترین سطوح توانایی‌های پیزوالکتریک کشف شده است. مقایسه کنید با مواد پیزوالکتریکی که معمولاً در بازار امروز یافت می‌شوند و بیشتر آن‌ها حاوی سرب هستند و برای کاربرد‌های پزشکی مناسب نیستند.

به گفته محققان، کشف پیزوالکتریسیته با این اندازه در یک ماده نانومتری از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا این توانایی مواد مهندسی شده را به عنوان نوعی موتور کوچک برای دستگاه‌های بسیار کوچک نشان می‌دهد. در مرحله بعدی، محققان قصد دارند روش کریستالوگرافی و روش‌های مکانیکی کوانتومی محاسباتی (تئوری تابعی تراکم) را به منظور درک عمیق از رفتار پیزوالکتریک مواد و در نتیجه امکان مهندسی دقیق کریستال‌ها برای ساخت دستگاه‌های زیست پزشکی استفاده کنند.

پروفسور گازیت می‌گوید: «بیشتر مواد پیزوالکتریک که امروزه از آن‌ها می‌شناسیم، مواد سمی بر پایه سرب یا پلیمر‌ها هستند، به این معنی که سازگار با محیط زیست و بدن انسان نیستند. با این حال، مواد جدید ما کاملاً بیولوژیکی است و برای استفاده در بدن مناسب هستند. به عنوان مثال، دستگاهی که از این مواد ساخته شده است ممکن است جایگزین باتری شود که برای ایمپلنت‌ها مانند ضربان ساز‌های قلب انرژی تأمین می‌کند. هرچند باید هر از گاهی تعویض شود. حرکات بدن مانند ضربان قلب، حرکات فک، حرکات روده یا هر حرکت دیگری که به طور منظم در بدن اتفاق می‌افتد، دستگاه را با برق شارژ می‌ کند و پیوند را فعال می‌ سازند.»

تمرکز فعلی گروه تحقیقاتی دکتر گازیت بر روی تولید تجهیزات پزشکی است، اما او تأکید می‌ کند که «مواد پیزوالکتریک سازگار با محیط زیست، مانند آنچه ما تولید کرده‌ایم، در طیف گسترده‌ای از مناطق پتانسیل فوق العاده‌ای دارند، زیرا آن‌ ها با استفاده از نیروی مکانیکی که در حال تولید است، انرژی سبز تولید می‌کنند. به هر حال استفاده می‌شود به عنوان مثال، اتومبیلی که در خیابان رانندگی می‌کند می‌تواند چراغ‌های خیابان را روشن کند. این مواد همچنین ممکن است جایگزین مواد پیزوالکتریک حاوی سرب شوند که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌ گیرند و نگرانی در مورد نشت فلزات سمی به محیط را افزایش می‌ دهد.»

منبع: Technology.org